單倍體胚胎干細(xì)胞與轉(zhuǎn)基因動(dòng)物

毛伊幻+周琪

近年來(lái)，干細(xì)胞領(lǐng)域的發(fā)展方興未艾。目前，已能從小鼠、大鼠、猴以及人的早期胚胎分離、培養(yǎng)、獲得胚胎干細(xì)胞。與大多數(shù)哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞一樣，胚胎干細(xì)胞也含有兩套染色體，即二倍體。而哺乳動(dòng)物的精子和卵細(xì)胞，以及一些植物的細(xì)胞里則只含有一套染色體，因此稱(chēng)為單倍體細(xì)胞。相較于二倍體，單倍體細(xì)胞更易用于對(duì)生物體的隱性形狀進(jìn)行遺傳學(xué)研究，在水稻的遺傳育種研究方面發(fā)揮了重大作用。

那么，有沒(méi)有可能制造出單倍體胚胎干細(xì)胞呢？科學(xué)家們想出了非常巧妙的辦法。他們把精子注射到去除了細(xì)胞核的卵母細(xì)胞中，或者把原核期受精卵的雌原核去除，再把這樣的細(xì)胞體外培養(yǎng)到囊胚期，由此能獲得“孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞”。類(lèi)似地，去除原核期受精卵的雄原核，或者孤雌激活卵母細(xì)胞，再將細(xì)胞體外培養(yǎng)至囊胚，則能獲得“孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞”。經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證，這些單倍體干細(xì)胞既保持了普通胚胎干細(xì)胞的特點(diǎn)，又同精子或卵細(xì)胞一樣只有一套染色體，而不是像普通二倍體胚胎干細(xì)胞那樣有兩套。

獲得基因修飾動(dòng)物

為了檢測(cè)單倍體胚胎干細(xì)胞的功能，科學(xué)家們將孤雄單倍體干細(xì)胞注射到卵母細(xì)胞中，驚奇地發(fā)現(xiàn)，它能夠成功替代精子完成使卵受精的使命，所得胚胎能正常發(fā)育至成年并具有生育能力。進(jìn)一步，科學(xué)家們對(duì)這種孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞進(jìn)行了特定的基因修飾，并注射進(jìn)卵母細(xì)胞得到后代，這樣出生的小鼠直接攜帶了這種修飾后的基因序列，從而方便地獲得了基因修飾動(dòng)物。利用單倍體胚胎干細(xì)胞獲得基因修飾動(dòng)物，為一些其胚胎干細(xì)胞不能嵌合到生殖系的物種，例如非人靈長(zhǎng)類(lèi)等，提供了新型的獲得基因修飾動(dòng)物模型的方法。

進(jìn)行同性生殖

由于在哺乳動(dòng)物中進(jìn)化出了基因組印記調(diào)控，哺乳動(dòng)物無(wú)法實(shí)現(xiàn)同性生殖。而利用單倍體胚胎干細(xì)胞技術(shù)，小鼠的同性生殖已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)家們利用新型的基因編輯技術(shù)CRISPR-Cas9系統(tǒng)改變了孤雌單倍體干細(xì)胞中稱(chēng)為H19和Gtl2的兩個(gè)非常重要的印記基因區(qū)域，將原本的雌性印記逆轉(zhuǎn)為了雄性印記。然后將這種逆轉(zhuǎn)后的孤雌單倍體干細(xì)胞替代精子，注射進(jìn)卵母細(xì)胞，獲得了遺傳物質(zhì)來(lái)自于兩個(gè)雌性親本的后代小鼠。這一技術(shù)將加速人們對(duì)于基因組印記機(jī)制的研究，也會(huì)給生殖方式帶來(lái)新的認(rèn)知。

研究物種間雜交

物種之間存在生殖隔離，一直以來(lái)，科學(xué)家都想獲得分別來(lái)源于兩個(gè)物種全套遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定細(xì)胞系。而最近，科學(xué)家利用單倍體干細(xì)胞技術(shù)，將這一想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。他們將大鼠和小鼠的單倍體胚胎干細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞融合，創(chuàng)造出了大小鼠異種雜合二倍體胚胎干細(xì)胞，這種細(xì)胞含有一套大鼠染色體和一套小鼠染色體。他們通過(guò)測(cè)序方法統(tǒng)計(jì)出大部分基因的表達(dá)量是小鼠和大鼠各貢獻(xiàn)一半。這一研究建立了新型的哺乳動(dòng)物胚胎干細(xì)胞，為研究物種間性狀差異，物種間基因、RNA和蛋白質(zhì)之間相互作用提供了非常好的工具。

展望

隨著單倍體干細(xì)胞研究的深入與完善，將有可能建立新型的輔助生殖技術(shù)，為一些生殖系統(tǒng)疾病提供一種新的治療手段。而通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì)單倍體胚胎干細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，進(jìn)而獲得基因編輯動(dòng)物，也將加速人們對(duì)基因功能和疾病的研究。在未來(lái)，我們期待基于單倍體胚胎干細(xì)胞與基因編輯技術(shù)給生命科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多的突破。