小鼠孤雌胚胎干細(xì)胞系的建立

王彥 錢(qián)德儉 韋多 徐凱 宦晴 呂鴻 高選 陳子江

小鼠孤雌胚胎干細(xì)胞系的建立

王彥 錢(qián)德儉 韋多 徐凱 宦晴 呂鴻 高選 陳子江

目的利用化學(xué)激活的技術(shù)，建立小鼠孤雌胚胎干細(xì)胞系。方法用鈣離子載體A23187和6-二甲基氨基嘌呤（6-DMAP）處理小鼠卵母細(xì)胞，待囊胚形成后，分離內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，細(xì)胞傳代、擴(kuò)增。待傳至37代時(shí)，核型檢測(cè)查染色體，用微衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行純合性鑒定，用免疫熒光技術(shù)檢測(cè)胚胎干細(xì)胞表面標(biāo)記Oct-4、SSEA-1及SSEA-4的表達(dá)情況，并用畸胎瘤試驗(yàn)檢測(cè)其多向分化能力。結(jié)果該細(xì)胞株為孤雌來(lái)源,表現(xiàn)為正常二倍體核型，表達(dá)ALK，表面標(biāo)志物Oct-4、SSEA-1陽(yáng)性，SSEA-4陰性。體內(nèi)注射后，在局部形成含三個(gè)胚層組織的畸胎瘤。結(jié)論通過(guò)鈣離子載體A23187和6-DMAP化學(xué)激活小鼠卵母細(xì)胞，可以得到具有胚胎干細(xì)胞特性的細(xì)胞株。

孤雌激活胚胎干細(xì)胞鈣離子載體A23187 6-二甲基氨基嘌呤

胚胎干細(xì)胞(Embryonic stem cells，ESCs)，源于發(fā)育5～7 d的囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（Inner cellmass，ICM），具有無(wú)限增殖和多向分化的特征。按其來(lái)源分為正常胚胎來(lái)源（絕大多數(shù)）、核移植來(lái)源和孤雌來(lái)源。

孤雌生殖是指卵子在沒(méi)有雄性配子作用的情況下，以外在因素予以激活。孤雌激活的卵子，在低等動(dòng)物如兩棲類(lèi)可以產(chǎn)生正常后代個(gè)體，在高等動(dòng)物則僅發(fā)育到囊胚階段，不能繼續(xù)發(fā)育成后代個(gè)體。最近有文獻(xiàn)報(bào)道，與受精卵來(lái)源的ESCs一樣，孤雌來(lái)源的ESCs同樣具有無(wú)限增殖和多向分化潛能，可在體外誘導(dǎo)分化成各種細(xì)胞。因此，若能建立孤雌生殖胚胎干細(xì)胞系（Parthenogenetic embryonic stem cells，PGES），可以避免受精卵來(lái)源ESCs引發(fā)的宗教、道德和倫理等方面的爭(zhēng)議，有助于進(jìn)一步推動(dòng)ESCs的研究和應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)擬探索一種高效的PGES細(xì)胞建系的方法，并進(jìn)行了相關(guān)的細(xì)胞生物學(xué)鑒定。

1 材料和方法

1.1 材料

6周齡昆明系雌性小鼠（體重22 g）購(gòu)自山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心，清潔級(jí)，適應(yīng)養(yǎng)殖7 d，普通飼養(yǎng)。重度聯(lián)合免疫缺陷（Severe combined im-mune deficiency，SCID）小鼠購(gòu)自中科院上海生化細(xì)胞所。

孕馬血清促性腺激素（Pregnantmare’s serum gonadotropin，PMSG）、人絨毛膜促性腺激素（Human chorionic gonadotropin，hHCG）、鈣離子載體A23187和6－二甲基氨基嘌呤（6－Dimethylaminopurine，6-DMAP）購(gòu)自Sigma公司；人類(lèi)輸卵管液（H uman tubalfluidmedium，HTF）、胚胎培養(yǎng)液G1購(gòu)自Vitrolife公司；Knockout-DMEM、血清替代物、谷氨酰胺、非必須氨基酸和β-巰基乙醇購(gòu)自Gibco公司；bFGF購(gòu)自Chemicon公司；解剖顯微鏡購(gòu)自Motic公司；Oct-4抗體（兔抗小鼠多抗）、SSEA-1（兔抗小鼠多抗）和SSEA-4抗體（兔抗小鼠多抗）購(gòu)自中科院上海生化細(xì)胞所。

1.2 方法

1.2.1 卵母細(xì)胞的收集

選擇6周齡雌性小鼠10只，每只腹腔內(nèi)先注射PMSG 10 U，48 h后再注射hHCG 10U，過(guò)13～17 h斷頸處死；摘除輸卵管，注射針挑破輸卵管壺腹部，收集卵丘-卵母細(xì)胞復(fù)合體，置于胚胎培養(yǎng)液G1中備用。

1.2.2 卵母細(xì)胞的孤雌激活

用A23187和6-DMAP進(jìn)行化學(xué)激活卵母細(xì)胞：以80μg/mL透明質(zhì)酸酶消化30 s，用HTF洗3遍，再置于含5μmol／L A23187的HTF中，37℃避光放置5min，以HTF洗滌3次后，置于含10μg/mL 6-DMAP的HTF中，在37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后進(jìn)行激活處理，再以G1進(jìn)行胚胎培養(yǎng)，胚胎分裂為8細(xì)胞后換液，以G2繼續(xù)培養(yǎng)至囊胚階段。

1.2.3 PGES細(xì)胞的分離和培養(yǎng)

取出囊胚，以機(jī)械法分離出內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞，在鋪有飼養(yǎng)層細(xì)胞的培養(yǎng)皿中傳代、擴(kuò)增。培養(yǎng)液為高糖DMEM，內(nèi)含20%knock-out血清替代物、1%非必需氨基酸、1 mM L-谷氨酰胺、0.1 mMβ-巰基乙醇、4 ng/mL堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子。37℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，3～5 d后以0.05%胰酶消化，常規(guī)傳代。

1.2.4 PGES細(xì)胞的鑒定

1.2.4.1 純合性鑒定

采用微衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，具體方法參照文獻(xiàn)[1]。

1.2.4.2 特異性細(xì)胞表面標(biāo)記鑒定

取PGES細(xì)胞爬片，設(shè)置實(shí)驗(yàn)組、空白對(duì)照組和陰性對(duì)照組（小鼠成纖維細(xì)胞）。實(shí)驗(yàn)組與陰性對(duì)照組細(xì)胞爬片滴加一抗（兔抗小鼠Oct-4，SSEA-1抗體1∶50），空白組滴加PBS，置濕盒內(nèi)于4℃冰箱內(nèi)過(guò)夜，PBS漂洗5min（3次），滴加二抗（FITC、IgG），37℃，30min，鏡下觀察并拍照。

1.2.4.3 核型檢測(cè)

0.5μg/mL秋水仙素作用6 h，1 mg/mLⅣ型膠原酶消化10min，解剖鏡下收集ES細(xì)胞。低滲、固定、制片按常規(guī)方法進(jìn)行。

1.2.4.4 體內(nèi)分化能力鑒定

在SCID小鼠腋下每注射點(diǎn)接種1.5×105cells/mL的PGES細(xì)胞，培養(yǎng)6～8周，取生成的腫塊切片、常規(guī)HE染色，觀察PGES細(xì)胞在體內(nèi)的生長(zhǎng)、分化情況。

2 結(jié)果

2.1 卵母細(xì)胞的收集

對(duì)于6周齡昆明系小鼠，PMSG和HCG可有效地超促排卵，5只小鼠共獲得卵母細(xì)胞156個(gè)（圖1）。

圖1 小鼠卵母細(xì)胞（經(jīng)透明質(zhì)酸處理后，已去除周邊顆粒細(xì)胞）

2.2 卵母細(xì)胞的激活

經(jīng)A23187聯(lián)合6－2DMAP作用后，共有138個(gè)卵母細(xì)胞被激活（激活率88.46%），其中109個(gè)發(fā)生卵裂（卵裂率78.98%），最終形成囊胚56個(gè)（囊胚形成率40.58%）（圖2）。

圖2 孤雌激活后不同發(fā)育時(shí)期的胚胎（100×）

2.3 PGES細(xì)胞的分離和培養(yǎng)

體外培養(yǎng)胚胎至囊胚形成，以機(jī)械法分離內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞（圖3A），在鋪有飼養(yǎng)層細(xì)胞的培養(yǎng)皿中傳代、擴(kuò)增。未分化的PGES細(xì)胞呈鳥(niǎo)巢狀生長(zhǎng)，形成的克隆較扁平，結(jié)構(gòu)均勻，細(xì)胞界限不清（圖3B）。

圖3 PGES細(xì)胞的培養(yǎng)

2.4 PGES細(xì)胞的鑒定

微衛(wèi)星技術(shù)檢測(cè)結(jié)果顯示，該P(yáng)GES細(xì)胞株為孤雌來(lái)源（圖4）。ES細(xì)胞特異性細(xì)胞表面標(biāo)志物Oct-4、SSEA-1陽(yáng)性，SSEA-4陰性（圖5－7）。核型檢測(cè)示40，XX（圖8）。將PGES細(xì)胞接種于SCID小鼠皮下，8周可見(jiàn)腫塊生成，切片，HE染色，可見(jiàn)三個(gè)胚層的組織（圖9）。

圖4 2%瓊脂糖凝膠電泳

圖5 Oct-4陽(yáng)性（左：熒光顯微鏡；右：相差顯微鏡。40×）

圖6 SSEA-1陽(yáng)性（左：熒光顯微鏡；右：相差顯微鏡。40×）

圖7 SSEA－4陰性（左：熒光顯微鏡；右：相差顯微鏡。40×）

圖8 核型染色（40，XX）

神經(jīng)組織（外胚層）肌肉組織（中胚層）

圖9 畸胎瘤切片HE染色（40×）

3 討論

所謂孤雌生殖是在無(wú)需精子的條件下，自發(fā)或經(jīng)物理、化學(xué)刺激，使卵母細(xì)胞有絲分裂激活而形成胚胎，并可繼續(xù)發(fā)育成熟而產(chǎn)生后代[2]。許多動(dòng)物都有孤雌生殖現(xiàn)象，如昆蟲(chóng)類(lèi)的蟑螂、蒼蠅、螞蟻、蜜蜂，脊椎動(dòng)物類(lèi)的蜥蜴、蛇、魚(yú)、鳥(niǎo)及兩棲動(dòng)物等[3]。而畸胎瘤則是孤雌生殖在人體的病理性體現(xiàn)。

孤雌生殖技術(shù)也是建立胚胎干細(xì)胞系的一項(xiàng)重要技術(shù)[5]，孤雌激活的卵母細(xì)胞能夠在某種程度上替代受精卵，以研究卵母細(xì)胞的激活進(jìn)程及原核胚胎的形成[4]，可用于基因治療、器官移植、組織修復(fù)、疾病治療等諸多領(lǐng)域。多年來(lái)，人們一直在探索孤雌激活的方法，以期卵母細(xì)胞達(dá)到最大比例的激活并使激活后的細(xì)胞能最大程度地發(fā)育，直至胚胎形成[5－6]。激活方法必須簡(jiǎn)單有效，發(fā)育成胚泡的比例高，且胚泡的形態(tài)和質(zhì)量好[5]。孤雌激活不充分或培育條件不恰當(dāng)，都會(huì)影響孤雌胚胎的發(fā)育潛力。目前，激活方法主要有兩類(lèi):物理方法和化學(xué)方法。前者包括機(jī)械、溫度以及電刺激，后者包括酶刺激、高滲或低滲環(huán)境、離子處理和蛋白合成抑制劑處理等。

卵母細(xì)胞成熟后,一直靜止在第二次減數(shù)分裂的中期。此時(shí)，卵母細(xì)胞的胞質(zhì)中含有持續(xù)高水平的中期促進(jìn)因子（MPF）和細(xì)胞靜止因子（CSF）。當(dāng)卵母細(xì)胞在正常的受精過(guò)程中受到精子的激活時(shí)，其胞質(zhì)的Ca2+濃度在一定時(shí)限內(nèi)呈脈沖式升高，進(jìn)而破壞貯存和新合成的CSF，導(dǎo)致MPF失活、減數(shù)分裂恢復(fù)、排出第二極體，促進(jìn)原核形成、卵裂和早期胚胎發(fā)育。因此，卵母細(xì)胞激活過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)Ca2+節(jié)律性脈沖升高起著關(guān)鍵性的介導(dǎo)作用。A23187可直接觸發(fā)Ca2+內(nèi)流，達(dá)到激活目的[7]。6-DMAP是蛋白質(zhì)磷酸化抑制劑,能阻止p34蛋白上的第161位酪氨酸磷酸化，導(dǎo)致MPF失活，促進(jìn)卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的恢復(fù)；還能抑制卵母細(xì)胞第二極體的排出，誘發(fā)卵母細(xì)胞形成一個(gè)二倍體的單原核，實(shí)現(xiàn)孤雌發(fā)育的目的[8]。本研究用A23187和6-DMAP激活卵母細(xì)胞，得到了88.46%的激活率和40.58%的囊胚形成率。

孤雌胚胎干細(xì)胞系建立后，最主要的是確定其是否真正來(lái)源于未受精的卵母細(xì)胞。在不同個(gè)體之間及同一個(gè)體的正常組織與某些異常組織之間，微衛(wèi)星位點(diǎn)的重復(fù)單位數(shù)目不同，具有豐富的多態(tài)性，是目前在在小鼠遺傳監(jiān)測(cè)方面常用的一種方法。經(jīng)微衛(wèi)星技術(shù)檢測(cè)，我們建立的細(xì)胞株為孤雌來(lái)源。結(jié)合細(xì)胞表面標(biāo)志物、核型分析、和致畸胎瘤實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以判斷該細(xì)胞株具有胚胎干細(xì)胞特性。

PGES具有和正常受精囊胚來(lái)源的ESCs一樣的生物學(xué)特征，可以在體外無(wú)限增殖，保持未分化狀態(tài)。但是哺乳動(dòng)物孤雌胚胎來(lái)源的干細(xì)胞由于缺乏父源性印記基因，分化能力較正常受精卵來(lái)源的ESCs差。目前，對(duì)于孤雌胚胎干細(xì)胞向3個(gè)胚層分化的能力看法不一。Newman-Smith等[9]發(fā)現(xiàn)，來(lái)自鼠孤雌胚胎的ICM在增殖和分化方面存在缺陷。由于缺乏胰島素樣生長(zhǎng)因子-1受體和胰島素樣生長(zhǎng)因子-2的基因表達(dá)產(chǎn)物，源自孤雌胚胎的ICM不能保持未分化的干細(xì)胞狀態(tài)，且?guī)缀醴只癁楠?dú)有的體壁內(nèi)胚層細(xì)胞。有研究證實(shí)，孤雌胚胎干細(xì)胞的分化潛能主要是在向內(nèi)胚層和中胚層分化時(shí)受到限制。以往我們也發(fā)現(xiàn)，在體外的誘導(dǎo)分化實(shí)驗(yàn)中，可以在短期內(nèi)誘導(dǎo)出大量的神經(jīng)前體細(xì)胞[10]。與此一致，本次體內(nèi)分化實(shí)驗(yàn)顯示，在形成的畸胎瘤團(tuán)塊中，外胚層組織所占的比例最大。

總之，孤雌激活胚胎干細(xì)胞系的建立，為胚胎干細(xì)胞的應(yīng)用提供了更廣闊的前景，但是由于缺乏父源性基因印記，在分化潛能及定向誘導(dǎo)方面還需進(jìn)一步研究。

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[10]韋多,王彥,高選,等.小鼠孤雌胚胎干細(xì)胞直接向神經(jīng)細(xì)胞誘導(dǎo)分化的實(shí)驗(yàn)研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)醫(yī)學(xué)版,2008,46(5):445-448.

Creation of a M ouse Parthenogenetic Stem Cell Line

W ANG Yan1,QIAN Dejian1,WEIDuo2,XU Kai2,HUAN Qing2, LU Hong2,GAO Xuan2,CHEN Zijiang2.
1 Qianfoshan Hospital of Shandong Province,Ji′nan 250014,China;2 Center for Reproductive Medicine,Shandong Provincial Hospital Affiliated to Shandong University,Ji′nan 250021,China.Corresponding author:CHEN Zijiang.

ObjectiveTo creat a mouse parthenogenetic stem cell line by chemical activation.M ethodsMouse oocyteswere treated with A23187 and 6-DMAP,and then cultured till blastula embryos formed.Then the inner cellmass (ICM)cells were isolated,cultured,and passaged.Cells of the 37thpassage were examined by karyotyping to analyze chromosomes,microsatellite technique to determine homozygous genotype,immunohistochemistry to detect expression of specific cellmarkers,and teratogenic test to exhibitmulti-lineage potency.ResultsThe cells had a homozygous genotype and normal karyotype.The cellswere positive for alkaline phosphatase,Oct-4,and SSEA-1,and negative for SSEA-4.After injected into the SCID mice,the cells differentiated into three germ layers,and formed teratoma at the injection site.ConclusionAn embryonic stem cell line can be created by A23187 and 6-DMAP activation ofmouse oocytes.

Parthenogenetic;Embryonic stem cells;A23187;6-DMAP

book=132,ebook=13

Q813.1+1

A

1673－0364（2010）03－0132－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2010.03.003

2010年2月28日；

2010年4月19日)

250014山東省濟(jì)南市山東省千佛山醫(yī)院（王彥，錢(qián)德儉）；250021山東省濟(jì)南市山東大學(xué)附屬山東省立醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心（韋多，徐凱，宦晴，呂鴻，高選，陳子江）。

陳子江。