中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)韓建永團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位突破豬胚胎多能干細(xì)胞建系國(guó)際難題

　　中國(guó)農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 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）獲得成功以來(lái)，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)生物學(xué)院韓建永教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位獲得重大突破，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。11月30日，該研究成果在線發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞研究》（Cell Research）上。

 

　　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， 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)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（完整的附植前階段）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)， 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15株細(xì)胞系， 細(xì)胞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(guò)260代，是目前世界上已報(bào)道傳代次數(shù)最多的大動(dòng)物干細(xì)胞系；對(duì)pgEpiSCs進(jìn)行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學(xué)聯(lián)合分析，從三維基因組層面發(fā)現(xiàn)pgEpiSCs具有較強(qiáng)的組織分化能力， 鑒定了75個(gè)在pgEpiSCs中具有重要功能的轉(zhuǎn)錄因子， 為后續(xù)豬多能干細(xì)胞調(diào)控機(jī)制研究奠定了重要基礎(chǔ)；通過(guò)對(duì)pgEpiSCs進(jìn)行3次不同方式基因編輯，包括隨機(jī)插入、CRISPR/Cas9介導(dǎo)的定點(diǎn)插入以及單堿基編輯器介導(dǎo)的堿基C到T置換， 并以經(jīng)過(guò)三次基因編輯的干細(xì)胞系為供體細(xì)胞， 通過(guò)核移植技術(shù)，獲得來(lái)源于pgEpiSCs、出生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。

 

　　該成果具有廣闊的應(yīng)用前景：

 

　　一是在生命科學(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。通過(guò)豬、人、小鼠等不同物種的多能干細(xì)胞比較，能夠發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞多能性維持的物種間差異性和統(tǒng)一性， 為異種器官移植等再生醫(yī)學(xué)研究提供理論依據(jù)。

 

　　二是在細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域，pgEpiSCs可作為未來(lái)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，成為體外大規(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(guò)體外大規(guī)模培養(yǎng)， 獲得大量初始細(xì)胞， 再通過(guò)定向誘導(dǎo)分化獲得肌肉細(xì)胞和脂肪細(xì)胞，可以解決“種子細(xì)胞”傳代時(shí)間短等細(xì)胞培養(yǎng)肉的技術(shù)難題。

 

　　三是在醫(yī)學(xué)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， 難以同時(shí)獲得多基因編輯克隆家畜， 通常需要采用重復(fù)性克?。╮e-cloning）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。實(shí)驗(yàn)證實(shí)豬上胚層多能干細(xì)胞對(duì)基因編輯有很好的耐受性，至少可以耐受三次連續(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)間和成本。

 

　　四是在家畜優(yōu)良品種培育領(lǐng)域，pgEpiSCs通過(guò)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。胚胎干細(xì)胞可以在體外誘導(dǎo)完成配子發(fā)育的整個(gè)過(guò)程， 形成有功能的精子或卵母細(xì)胞。將干細(xì)胞與基因組測(cè)序和基因組選擇等技術(shù)結(jié)合， 再通過(guò)體外生殖細(xì)胞誘導(dǎo)和體外受精， 獲得子代胚胎， 結(jié)合基因組選擇技術(shù)，可以在實(shí)驗(yàn)室中完成優(yōu)良家畜胚胎的批量生產(chǎn)和精準(zhǔn)選擇，實(shí)現(xiàn)家畜干細(xì)胞育種，可顯著縮短世代間隔和提高選擇強(qiáng)度， 快速獲得30~40倍的遺傳增益，實(shí)現(xiàn)重要經(jīng)濟(jì)性狀的快速遺傳改良。

 

　　該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0100202）、高層次人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助， 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院博士生郅明雷、張金穎， 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)唐茜子教授， 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院高帥副教授， 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所余大為博士為本文共同第一作者， 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院韓建永教授， 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)李明洲教授， 中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所鄭彩宏博士， 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)劉忠華教授為本文的共同通訊作者。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)魏紅江教授和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所周琪研究員為資深作者。

 

　　全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-021-00592-9

 

　　供稿：生物學(xué)院