中科院Nature文章干细胞研究突破性进展

　　

生物通报道  来自中科院动物研究所、中科院研究所院与东北农业大学的研究人员发表了题为“Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice”的文章，获得了胚胎干细胞研究的突破性成果，成功建立了来自孤雄囊胚单倍体胚胎细胞系，并进一步验证将这些细胞注入到卵母细胞后产生了健康的小鼠。相关成果发布在9月30日的《自然》（Nature）杂志上。

中科院动物研究所的周琪研究员、赵小阳研究员是这篇文章的共同通讯作者。周琪研究员主要从事分化与去分化机制、体细胞重编程、干细胞可塑性和全能性及体细胞可塑性方面的研究，并致力于开展动物模型及疾病模型的建立及研究工作。赵小阳研究员主要研究方向包括体细胞重编程（体细胞核移植与iPSC），干细胞多能性调控机制，以及生殖细胞发育。

单倍体和双单倍体是研究隐性性状的重要资源，对于作物育种具有重大的意义，然而在动物中天然单倍体是罕见的。哺乳动物单倍体仅局限于生殖细胞及偶然发现存在于具有大块染色体丢失的肿瘤中。近期科学家们成功地在青鳉鱼（medaka fish）和小鼠中建立了单倍体胚胎干细胞，提出了在遗传研究中利用基因工程哺乳动物单倍体细胞的可能性。然而目前对于哺乳动物单倍体胚胎干细胞的可用性及功能特征仍知之甚少。

在这篇文章中，研究人员证实通过将精子注入到细胞核移除的卵母细胞中可以构建出小鼠雄性单倍体胚胎干细胞。这些雄性单倍体胚胎干细胞（ahES cells）在可超过30代维持单倍性和稳定生长，表达多能性标记，在体内外具有分化为所有三个胚层的能力，当注入到胚泡时生成了嵌合体生殖细胞系。尽管在表观遗传上不同于精子细胞，在胞质内注射到成熟卵母细胞后ahES细胞能够生成活体具有生育能力的后代。这种卵母细胞注入程序也可生成来自遗传工程ahES细胞的活体转基因小鼠。

新研究证实了实验室培育雄性单倍体多能干细胞能够在功能上像配子一样形成受精卵，并可生成活体后代，或许有可能为辅助生殖提供一个宝贵的资源。由ahES细胞生成的具生育能力的小鼠表明了了单倍体胚胎干细胞中的遗传信息是功能上完整且稳定的，因此提高了单倍体ES细胞在遗传学研究中的价值。建立的稳定单倍体外胚层干细胞样细胞系证实ahES细胞的单倍体状态可以在某些情况下在其他细胞类型中传递及稳定维持。该研究还提供了在无法获得具有生殖能力的胚胎干细胞的动物模型，包括非人类灵长动物中进行遗传操作的一种新方法。由于这样的单倍体干细胞中的修饰可通过胞质内注射到成熟卵母细胞中传递至后代，这可能作为基因靶向研究的一种更有效和简单的策略。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice

Haploids and double haploids are important resources for studying recessive traits and have large impacts on crop breeding1, but natural haploids are rare in animals. Mammalian haploids are restricted to germline cells and are occasionally found in tumours with massive chromosome loss2, 3. Recent success in establishing haploid embryonic stem (ES) cells in medaka fish4 and mice5, 6 raised the possibility of using engineered mammalian haploid cells in genetic studies. However, the availability and functional characterization of mammalian haploid ES cells are still limited. Here we show that mouse androgenetic haploid ES (ahES) cell lines can be established by transferring sperm into an enucleated oocyte. The ahES cells maintain haploidy and stable growth over 30 passages, express pluripotent markers, possess the ability to differentiate into all three germ layers in vitro and in vivo, and contribute to germlines of chimaeras when injected into blastocysts. Although epigenetically distinct from sperm cells, the ahES cells can produce viable and fertile progenies after intracytoplasmic injection into mature oocytes. The oocyte-injection procedure can also produce viable transgenic mice from genetically engineered ahES cells. Our findings show the developmental pluripotency of androgenentic haploids and provide a new tool to quickly produce genetic models for recessive traits. They may also shed new light on assisted reproduction.

作者简介：

周琪

研究员，博士生导师，中国科学院动物研究所所长助理；计划生育生殖生物学国家重点实验室主任；国际转基因协会终身荣誉会员；国际干细胞组织（ISCF）中国代表。
　　
1996年毕业于东北农业大学，获理学博士学位；1997年进入中国科学院发育生物学研究所博士后流动站；1999年在中国科学院发育生物学研究所获副研究员任职资格；1999-2002年期间，法国国家农业研究中心分子发育生物学部博士后，任项目负责人；2001年入选中国科学院“****”。
　　
周琪研究员主要从事分化与去分化机制、体细胞重编程、干细胞可塑性和全能性及体细胞可塑性方面的研究，并致力于开展动物模型及疾病模型的建立及研究工作，从而推动基础研究在再生医学领域的应用。周琪研究组现已建立多种克隆及转基因动物模型（兔、小鼠、大鼠、牛、山羊、雪貂、猴）；建立了小鼠、人等物种的胚胎干细胞系、孤雌胚胎干细胞系及iPS细胞系；证明了小鼠克隆的可重复性；国际首次利用体细胞成功克隆大鼠；世界首次利用iPS细胞通过四倍体囊胚注射得到存活并具有繁殖能力的小鼠，从而证明iPS细胞具有与胚胎干细胞相似的多能性；首次发现并明确证实决定小鼠（哺乳动物）干细胞多能性的关键基因决定簇；证明iPS细胞来源的小鼠具有与胚胎干细胞来源小鼠相同的生理功能但具有致瘤倾向性；通过外源因子诱导实现了跨胚层转分化，获得具有自我更新及分化为神经元能力的神经干细胞。
　　
周琪研究员现已在Nature，Science，PNAS， JBC， Stem cells，Cell Research等数家刊物发表研究论文60余篇，申请、获得重编程技术发明专利5项；先后获得国际转基因研究genOway奖、何梁何利基金科学与技术奖、周光召基金会“杰出青年基础科学奖”等多项奖励。
 
赵小阳

男，湖南省双峰县人，博士，研究员，中国科学院动物研究所干细胞与多能性调控研究组组长。
　　
2004年毕业于湖南师范大学，获得理学学士学位；2010年毕业于中国科学院动物研究所，师从周琪研究员，获发育生物学专业理学博士学位。主要研究方向包括体细胞重编程（体细胞核移植与iPSC），干细胞多能性调控机制，以及生殖细胞发育。近年来，以小鼠，大鼠等为模型取得了一些进展，首次报道获得具有发育全能性的iPSC，该工作入选2009年美国《时代周刊》十大医学突破；首次建立了BN大鼠胚胎干细胞，并证明在体内具有广泛的发育能力；证明2细胞卵裂球具有重编程体细胞为多能性干细胞的能力，相关研究成果发表在Nature，JBC，Cell Research, Nature Protocols，Stem Cell等刊物，已发表SCI收录的论文13篇。未来的研究重点：1）干细胞多能性调控机制，揭示多能性干细胞维持多能性的分子机制及调控元件；2）体细胞重编程机理研究。
 
研究领域： 目前的研究方向主要集中在体细胞重编程，生殖细胞发育，干细胞与多能性调控。
 
获奖及荣誉：
•国际转基因协会（ISTT）首届青年科学家奖（2011）
•中国科学院优秀毕业生（2011）
•中国科学院院长特别奖（2010）
•日本实验动物学会——国际奖（2009)