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重大突破!我国突破猪胚胎多能干细胞建系的国际难题

中国科技网 2021年12月01日 报道 浏览次数:

科技日报记者 马爱平

家畜干细胞在生命科学基础研究、细胞培养人造肉生产和优良品种培育等方面具有巨大应用前景。自1981年小鼠胚胎干细胞 (mESCs)获得成功以来,国内外科学家一直试图建立稳定的、可长期传代的大家畜胚胎多能干细胞系,但始终未获得成功。

近日,中国农业大学韩建永教授团队联合国内多家单位获得重大突破,成功建立了目前世界家畜干细胞传代次数最多(传代260次以上)、可进行多次基因编辑操作的猪胚胎干细胞系,攻克了猪胚胎上胚层多能干细胞建系的国际难题。11月30日,该研究成果在线发表在国际著名学术期刊《细胞研究》(Cell Research)上。

猪既是重要的家畜,也是重要的实验动物,在基础研究、人类疾病模型、异种器官移植等领域用途广泛。针对家畜胚胎上胚层多能干细胞建系困难,传代次数短,难以承受多次基因编辑操作等国际难题,中国农业大学韩建永团队联合四川农业大学、中国科学院动物研究所、中国科学院北京基因研究所、东北农业大学等单位,以猪为模式生物,开展了联合科技攻关,取得家畜胚胎干细胞领域的重大突破。

研究人员从早期胚胎多能性发育调控分子机制入手,攻克猪早期胚胎单细胞分离技术, 首次绘制了猪胚胎第0-14天(完整的附植前阶段)高质量单细胞转录组图谱, 解析了猪上胚层多能性状态 (初始态、中间态和激发态) 变化及调控的分子机制;基于单细胞数据, 创制了猪原肠化前上胚层多能干细胞 (pgEpiSCs) 培养体系, 成功建立15株细胞系, 细胞维持上胚层多能性状态, 具有典型干细胞特征,最长传代次数超过260代,是目前世界上已报道传代次数最多的大动物干细胞系。

一次基因操作干细胞克隆小猪

三次连续基因编辑干细胞克隆小猪

随后,研究人员对pgEpiSCs进行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多组学联合分析,从三维基因组层面发现pgEpiSCs具有较强的组织分化能力,鉴定了75个在pgEpiSCs中具有重要功能的转录因子,为后续猪多能干细胞调控机制研究奠定了重要基础;通过对pgEpiSCs进行3次不同方式基因编辑,包括随机插入、CRISPR/Cas9介导的定点插入以及单碱基编辑器介导的碱基C到T置换, 并以经过三次基因编辑的干细胞系为供体细胞,通过核移植技术,获得来源于pgEpiSCs、出生存活的基因编辑克隆猪,解决了家畜干细胞难以承受长周期、多次基因编辑的国际难题。

稳定的猪胚胎原肠化前上胚层干细胞系 (pgEpiSCs) 建立及其特征分析

专家介绍,该成果具有广阔的应用前景:一是在生命科学基础研究领域,作为一种全新的、稳定的猪胚胎多能干细胞系,pgEpiSCs成功建系开创了家畜多能干细胞研究的新方向。二是在细胞培养肉领域,pgEpiSCs可作为未来细胞培养等基于细胞的功能性产品的种子细胞。三是在医学模式动物研究领域,pgEpiSCs与基因编辑结合, 可用于构建人类疾病模型或抗病猪模型。四是在家畜优良品种培育领域,pgEpiSCs通过定向诱导分化为精子和卵母细胞可以实现干细胞育种。

该研究受到国家重点研发计划、高层次人才计划等项目资助, 中国农业大学生物学院博士生郅明雷、张金颖, 四川农业大学教授唐茜子, 中国农业大学动物科技学院副教授高帅, 中国科学院动物研究所余大为博士为本文共同第一作者, 中国农业大学生物学院韩建永教授, 四川农业大学李明洲教授, 中国科学院北京基因组研究所郑彩宏博士, 东北农业大学刘忠华教授为本文的共同通讯作者。云南农业大学魏红江教授和中国科学院动物研究所周琪研究员为资深作者。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41422-021-00592-9

中国农业大学供图

中国科技网2021年12月1日


责任编辑:刘铮
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