研究進(jìn)展

家畜干細(xì)胞在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、細(xì)胞培養(yǎng)人造肉生產(chǎn)和優(yōu)良品種培育等方面具有巨大應(yīng)用前景。自1981年小鼠胚胎干細(xì)胞(mESCs)培育成功以來，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家一直試圖建立穩(wěn)定的、可長(zhǎng)期傳代的大型家畜胚胎多能干細(xì)胞系，但始終未獲得成功。

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)韓建永教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位在該領(lǐng)域獲得重大突破，他們成功建立了目前世界家畜干細(xì)胞傳代次數(shù)最多(傳代260次以上)、可進(jìn)行多次基因編輯操作的豬胚胎干細(xì)胞系，攻克了豬胚胎上胚層多能干細(xì)胞建系的國(guó)際難題。該研究成果11月30日在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞研究》上。

繪出豬胚胎第0—14天高質(zhì)量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜

豬既是重要的家畜，也是重要的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，在基礎(chǔ)研究、人類疾病模型、異種器官移植等領(lǐng)域用途廣泛。針對(duì)家畜胚胎上胚層多能干細(xì)胞建系困難、傳代次數(shù)短、難以承受多次基因編輯操作等國(guó)際難題，韓建永團(tuán)隊(duì)聯(lián)合四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院北京基因研究所、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位，以豬為模式生物，開展了聯(lián)合科技攻關(guān)，取得家畜胚胎干細(xì)胞領(lǐng)域的重大突破。

研究人員從早期胚胎多能性發(fā)育調(diào)控分子機(jī)制入手，攻克豬早期胚胎單細(xì)胞分離技術(shù), 首次繪制了豬胚胎第0—14天高質(zhì)量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組圖譜, 解析了豬上胚層多能性狀態(tài)(初始態(tài)、中間態(tài)和激發(fā)態(tài))變化及調(diào)控的分子機(jī)制。

“基于單細(xì)胞數(shù)據(jù), 我們創(chuàng)制了豬原腸化前上胚層多能干細(xì)胞 (pgEpiSCs)培養(yǎng)體系, 成功建立了15株細(xì)胞系, 細(xì)胞能維持上胚層多能性狀態(tài)，具有典型干細(xì)胞特征，最長(zhǎng)傳代次數(shù)超過260代，是目前世界上已報(bào)道的傳代次數(shù)最多的大動(dòng)物干細(xì)胞系。”韓建永說，他們還通過多組學(xué)聯(lián)合分析，鑒定了75個(gè)在pgEpiSCs中具有重要功能的轉(zhuǎn)錄因子。

“我們通過對(duì)pgEpiSCs進(jìn)行3次不同方式基因編輯，獲得來源于pgEpiSCs、出生后存活的基因編輯克隆豬，解決了家畜干細(xì)胞難以承受長(zhǎng)周期、多次基因編輯的國(guó)際難題。”韓建永說。

將在細(xì)胞培養(yǎng)肉、干細(xì)胞育種和模式動(dòng)物研究等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

專家指出，該成果具有廣闊的應(yīng)用前景。在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，作為一種全新的、穩(wěn)定的豬胚胎多能干細(xì)胞系，pgEpiSCs成功建系開創(chuàng)了家畜多能干細(xì)胞研究的新方向。與小鼠相比，豬的胚胎發(fā)育和人類更加相似，豬的胚胎干細(xì)胞是研究人類胚胎發(fā)育更為理想的細(xì)胞模型，可為異種器官移植等再生醫(yī)學(xué)研究提供理論依據(jù)。

“在細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域，pgEpiSCs可作為未來細(xì)胞培養(yǎng)等基于細(xì)胞的功能性產(chǎn)品的種子細(xì)胞。目前細(xì)胞培養(yǎng)肉研制的種子細(xì)胞多為肌肉和脂肪細(xì)胞的祖細(xì)胞，并不具有長(zhǎng)期傳代增殖能力，這也成為了體外大規(guī)模生產(chǎn)細(xì)胞培養(yǎng)肉的技術(shù)瓶頸。pgEpiSCs能夠在體外長(zhǎng)期穩(wěn)定傳代，通過體外大規(guī)模培養(yǎng)可獲得大量初始細(xì)胞，再通過定向誘導(dǎo)分化獲得肌肉細(xì)胞和脂肪細(xì)胞，能解決種子細(xì)胞傳代時(shí)間短等細(xì)胞培養(yǎng)肉面臨的技術(shù)難題。”韓建永說。

在模式動(dòng)物研究領(lǐng)域，pgEpiSCs與基因編輯結(jié)合，可用于構(gòu)建人類疾病模型或抗病豬模型。傳統(tǒng)的基于體細(xì)胞基因編輯和克隆的技術(shù)囿于體細(xì)胞難以耐受多次基因編輯，多基因編輯克隆家畜往往難以獲得，通常需要采用重復(fù)性克隆和重新分離成纖維細(xì)胞，達(dá)到多基因編輯的目的，周期短、效率低。而實(shí)驗(yàn)證實(shí)，pgEpiSCs對(duì)基因編輯有很好的耐受性，至少可以耐受3次連續(xù)的基因編輯，這將大大縮短獲得多基因編輯克隆豬的時(shí)間。

韓建永表示：“在家畜優(yōu)良品種培育領(lǐng)域，pgEpiSCs通過定向誘導(dǎo)分化為精子和卵母細(xì)胞可以實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞育種，實(shí)現(xiàn)重要經(jīng)濟(jì)性狀的快速遺傳改良。”(馬愛平)