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动物所周琪实验室创造出新型干细胞
发表日期: 2016-01-27 来源:
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  近日,中国科学院动物研究所周琪实验室创造出一种新型的干细胞——异种杂合二倍体胚胎干细胞,这是首例人工创建的、以稳定二倍体形式存在的异种杂合胚胎干细胞,为研究进化上不同物种间性状差异的分子机制和X染色体失活提供了新型的有利工具。相关成果在国际知名期刊Cell发表。  

  物种间杂交个体在进化生物学、发育生物学和遗传学中应用广泛,例如“杂交优势”的研究及其在农业育种中的应用。这是因为它们具有独特的杂合遗传背景和性状,是研究物种形成、基因调控进化和X染色体失活的重要模型。然而由于物种间存在生殖隔离,哺乳动物远亲物种间的配子无法受精和发育,因此种间杂交只在近亲物种间发生,如马和驴杂交产生骡子。为了生物学研究的便利,人们创造出各类远亲物种间的杂合细胞,如小鼠-大鼠、人-啮齿类、人-牛等杂交细胞。但由于这些细胞都是体细胞融合产生,因而都是四倍体并且基因组不稳定,往往出现大量的染色体丢失,而且几乎没有分化能力。那么,能否绕开生殖隔离的屏障,创造出哺乳动物远亲物种间的二倍体杂合细胞?  

  近年来,周琪实验室建立了一系列哺乳动物的单倍体胚胎干细胞,并且发现单倍体干细胞除了可以便利地应用于遗传筛选外,还具有一定的配子特性和发育能力,例如,孤雄单倍体干细胞可以替代精子、孤雌单倍体干细胞可以替代卵母细胞核,来产生可育的后代。  

  在上述研究基础上,周琪团队通过细胞融合技术将小鼠孤雄(雌)和大鼠孤雌(雄)单倍体干细胞融合,从而绕开了小鼠和大鼠的精卵融合后无法发育的生殖隔离障碍,获得了异种杂合二倍体胚胎干细胞。这类杂交细胞具有胚胎干细胞的三胚层分化能力,甚至能够分化形成早期的生殖细胞,并且在培养和分化过程中保持异种二倍体基因组的稳定性。基因表达分析发现,异种杂合二倍体细胞展现出“高亲”、“低亲”等独特的基因表达模式以及独特的生物学性状,对二者结合进行分析能够有效地挖掘出物种间性状差异的分子调控机制。同时杂合细胞的X染色体失活也不采用哺乳动物常见的“随机失活”模式,而是采用小鼠X染色体特异失活模式。利用这一特性,该研究系统鉴定了小鼠X染色体失活逃逸基因,揭示了X染色体失活和失活逃逸的新方式和新机制。  

  这项成果是首例人工创建的、以稳定二倍体形式存在的异种杂合胚胎干细胞,它们包含大鼠和小鼠基因组各一套,并且异源基因组能以二倍体形式稳定存在。异种杂合二倍体干细胞能够分化形成各种类型的杂种体细胞以及早期生殖细胞,并展现出兼具两个物种特点的独特的基因表达模式和性状,以及独特的X染色体失活方式,从而为从天然存在生殖隔离的物种制备包含稳定二倍体基因组的杂交干细胞提供了新方法。这些具有胚胎干细胞特性的异种二倍体杂合干细胞将为进化生物学、发育生物学和遗传学等研究提供新的模型和工具,从而完成更多的生物学新发现。  

  论文以Generation and application of mouse-rat allodiploid embryonic stem cells为标题,于2016114日在Cell杂志发表(DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.11.035)。  

  该研究得到了科技部、国家自然科学基金委以及中国科学院“干细胞与再生医学研究”战略性先导科技专项的经费支持。    

  

玉佩象征杂合细胞,同时具有大鼠和小鼠的基因组和生物学特性 

  

建立制备异种杂合二倍体胚胎干细胞的新方法 

  延伸阅读:

  1. Li Z, Wan H, Feng G, Wang L, He Z, Wang Y, Wang XJ, Li W, Zhou Q, Hu B. Birth of fertile bimaternal offspring following intracytoplasmic injection of parthenogenetic haploid embryonic stem cells. Cell Res. (2015) Dec 18. doi: 10.1038/cr.2015.151. [Epub ahead of print]
  2. Li W, Li X, Li T, Jiang MG, Wan H, Luo GZ, Feng C, Cui X, Teng F, Yuan Y, Zhou Q, Gu Q, Shuai L, Sha J, Xiao Y, Wang L, Liu Z, Wang XJ, Zhao XY, Zhou Q. (2014) Genetic modification and screening in the rat using haploid embryonic stem cells. Cell Stem Cell 14(3):404-414.
  3. Wan H, He Z, Dong M, Gu T, Luo GZ, Teng F, Xia B, Li W, Feng C, Li X, Li T, Shuai L, Fu R, Wang L, Wang XJ, Zhao XY, Zhou Q. (2013) Parthenogenetic haploid embryonic stem cells produce fertile mice. Cell Res.23(11):1330-1333.
  4. Li W, Shuai L, Wan H, Dong M, Wang M, Sang L, Feng C, Luo GZ, Li T, Li X, Wang L, Zheng QY, Sheng C, Wu HJ, Liu Z, Liu L, Wang L, Wang XJ, Zhao XY, Zhou Q. (2012) Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice. Nature 490(7420):407-411.

(新闻来源于中国科学院动物研究所网站)

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