中国学者发布重大突破：卵子来源的“类精子细胞”单倍体细胞系

　　

　中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组继建立能稳定支持半克隆小鼠出生的“类精子细胞”单倍体细胞系之后，该研究团队在单倍体细胞技术上又取得新突破，最新研究成果于11月17日在线发表在国际学术期刊《细胞研究》上。该研究从卵子中产生了能代替精子使用的单倍体胚胎干细胞，并证明这些细胞能高效产生半克隆小鼠，从而简化了单倍体胚胎干细胞技术，促进单倍体胚胎干细胞技术的广泛应用。

　　2012年，李劲松研究组与徐国良研究组合作从小鼠的精子中建立了孤雄单倍体胚胎干细胞系，并证明这些细胞能够代替精子使卵母细胞“受精”产生半克隆小鼠。然而，单倍体细胞随着体外培养传代，特别是经过遗传编辑后，逐渐丢失了产生半克隆小鼠的能力。2015年7月，李劲松研究组又通过在孤雄单倍体胚胎干细胞中去除H19-DMR和IG-DMR后，建立了能稳定支持半克隆小鼠出生的“类精子细胞”单倍体细胞系。不过，建立精子来源的孤雄单倍体胚胎干细胞系需要借助复杂的核移植技术，这极大限制了单倍体细胞技术的应用。为此，研究人员尝试是否能从卵子建立能代替精子使用的单倍体细胞系。

　　研究人员首先通过孤雌激活卵子的方法获得了单倍体的孤雌发育的囊胚，并从中建立了6株孤雌单倍体胚胎干细胞，随后他们将其注入卵子中产生胚胎并移植到假孕小鼠的子宫内，然而所有的移植胚胎均不能发育成个体。为了解释孤雌单倍体胚胎干细胞为什么不能支持半克隆小鼠的发育，研究人员比较了孤雌单倍体胚胎干细胞与孤雄单倍体胚胎干细胞的全基因组以及所有印记基因的表达，发现这两类细胞具有非常相似的表达模式。研究人员通过进一步分析调控印记基因表达区域的甲基化状况发现，卵子来源的孤雌单倍体胚胎干细胞的雌性印记基因在细胞建立和传代过程中会快速丢失，从而逐渐建立一种类似于精子来源孤雄单倍体胚胎干细胞的基因表达模式。

　　基于研究组此前一项研究发现，在孤雄单倍体胚胎干细胞中去除H19-DMR和IG-DMR后会产生“类精子细胞”的单倍体细胞系，因此，研究人员进一步尝试是否在孤雌单倍体干细胞中去除H19-DMR和IG-DMR也会产生相似的情况。令人惊奇的是，敲除H19-DMR和IG-DMR的孤雌单倍体干细胞能高效支持半克隆小鼠的产生，达到15.5%的出生效率。而且，半克隆小鼠均能健康发育到成年并具有生育能力。

　　这一研究从卵子中产生了能代替精子使用的单倍体细胞，并证明这些细胞能高效产生半克隆小鼠，从而大大简化了单倍体干细胞技术，将促进单倍体干细胞的应用。同时，研究成果提供直接证据证明印记基因的正常表达是胚胎发育的关键因素。接下来，研究人员仍需要进一步的研究来解释H19和Gtl2这两个印记基因调控半克隆胚胎发育的具体机制。

　　钟翠青、谢振飞和尹奇为该文的共同第一作者，李劲松为通讯作者。参与该研究的合作单位和人员包括中科院-马普学会计算生物学伙伴研究所研究员杨力等。该工作得到了国家科技部、国家基金委、中国科学院（干细胞先导专项）以及上海市科委经费的支持。

原文摘要：

Parthenogenetic haploid embryonic stem cells efficiently support mouse generation by oocyte injection

Mammalian haploid embryonic stem cells (haESCs) have been recently generated from parthenogenetic and androgenetic embryos1,2. Both parthenogenetic haESCs (PG-haESCs) and androgenetic haESCs (AG-haESCs) can be used for cell-based reverse and forward genetic screens on a whole-genome scale3,4. AG-haESCs, after intracytoplasmic injection into oocytes (referred to as ICAHCI), can be used as a sperm replacement to produce healthy semi-cloned (SC) mice at a rate of ~2% of transferred embryos5,6. Interestingly, after inhibiting the expression of two paternally imprinted genes (H19 and Gtl2) in AG-haESCs by removal of their differentially methylated DNA regions (DMRs), these cells can efficiently and stably support the generation of healthy SC pups at a rate of ~20%7. Nevertheless, the feasibility of using PG-haESCs for generation of SC mice via oocyte injection has not yet been demonstrated. We reason that, if PG-haESCs can support the efficient generation of SC mice, it is not necessary to make AG-haESCs by injection of sperm heads into enucleated oocytes, a complex procedure that is very difficult to handle. In this study, we show that PG-haESCs exhibit highly similar gene expression profiles to those of AG-haESCs, and after removal of H19 and Gtl2 DMRs, DKO-PG-haESCs can efficiently produce SC pups. Thus, our study establishes haploid cells from oocytes that have the ability to efficiently produce mice by injection into oocytes.