中國農大新聞網訊 家畜干細胞在生命科學基礎研究、細胞培養人造肉生產和優良品種培育等方面具有巨大應用前景。自1981年小鼠胚胎干細胞 （mESCs）獲得成功以來，國內外科學家一直試圖建立穩定的、可長期傳代的大家畜胚胎多能干細胞系，但始終未獲得成功。近日，中國農業大學生物學院韓建永教授團隊聯合國內多家單位獲得重大突破，成功建立了目前世界家畜干細胞傳代次數最多（傳代260次以上）、可進行多次基因編輯操作的豬胚胎干細胞系，攻克了豬胚胎上胚層多能干細胞建系的國際難題。11月30日，該研究成果在線發表在國際著名學術期刊《細胞研究》（Cell Research）上。
豬既是重要的家畜，也是重要的實驗動物，在基礎研究、人類疾病模型、異種器官移植等領域用途廣泛。針對家畜胚胎上胚層多能干細胞建系困難，傳代次數短，難以承受多次基因編輯操作等國際難題， 中國農業大學韓建永團隊聯合四川農業大學、中國科學院動物研究所、中國科學院北京基因研究所、東北農業大學等單位，以豬為模式生物，開展了聯合科技攻關，取得家畜胚胎干細胞領域的重大突破。
研究人員從早期胚胎多能性發育調控分子機制入手，攻克豬早期胚胎單細胞分離技術， 首次繪制了豬胚胎第0-14天（完整的附植前階段）高質量單細胞轉錄組圖譜， 解析了豬上胚層多能性狀態 （初始態、中間態和激發態） 變化及調控的分子機制；基于單細胞數據， 創制了豬原腸化前上胚層多能干細胞 （pgEpiSCs） 培養體系， 成功建立15株細胞系， 細胞維持上胚層多能性狀態， 具有典型干細胞特征， 最長傳代次數超過260代，是目前世界上已報道傳代次數最多的大動物干細胞系；對pgEpiSCs進行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學聯合分析，從三維基因組層面發現pgEpiSCs具有較強的組織分化能力， 鑒定了75個在pgEpiSCs中具有重要功能的轉錄因子， 為后續豬多能干細胞調控機制研究奠定了重要基礎；通過對pgEpiSCs進行3次不同方式基因編輯，包括隨機插入、CRISPR/Cas9介導的定點插入以及單堿基編輯器介導的堿基C到T置換， 并以經過三次基因編輯的干細胞系為供體細胞， 通過核移植技術，獲得來源于pgEpiSCs、出生存活的基因編輯克隆豬，解決了家畜干細胞難以承受長周期、多次基因編輯的國際難題。
該成果具有廣闊的應用前景：
一是在生命科學基礎研究領域，作為一種全新的、穩定的豬胚胎多能干細胞系，pgEpiSCs成功建系開創了家畜多能干細胞研究的新方向。與小鼠相比，豬的胚胎發育和人類更加相似， 豬的胚胎干細胞是研究人類胚胎發育更為理想的細胞模型。通過豬、人、小鼠等不同物種的多能干細胞比較，能夠發現干細胞多能性維持的物種間差異性和統一性， 為異種器官移植等再生醫學研究提供理論依據。
二是在細胞培養肉領域，pgEpiSCs可作為未來細胞培養等基于細胞的功能性產品的種子細胞。目前細胞培養肉研制的種子細胞多為肌肉和脂肪細胞的祖細胞， 并不具有長期傳代增殖能力，成為體外大規模生產細胞培養肉的技術瓶頸。pgEpiSCs能夠在體外長期穩定傳代， 通過體外大規模培養， 獲得大量初始細胞， 再通過定向誘導分化獲得肌肉細胞和脂肪細胞，可以解決“種子細胞”傳代時間短等細胞培養肉的技術難題。
三是在醫學模式動物研究領域，pgEpiSCs與基因編輯結合， 可用于構建人類疾病模型或抗病豬模型。傳統的基于體細胞基因編輯和克隆的技術囿于體細胞難以耐受多次基因編輯， 難以同時獲得多基因編輯克隆家畜， 通常需要采用重復性克隆（re-cloning）和重新分離成纖維細胞， 達到多基因編輯的目的，周期短，效率低。實驗證實豬上胚層多能干細胞對基因編輯有很好的耐受性，至少可以耐受三次連續的基因編輯， 這將大大縮短獲得多基因編輯克隆豬的時間和成本。
四是在家畜優良品種培育領域，pgEpiSCs通過定向誘導分化為精子和卵母細胞可以實現干細胞育種。胚胎干細胞可以在體外誘導完成配子發育的整個過程， 形成有功能的精子或卵母細胞。將干細胞與基因組測序和基因組選擇等技術結合， 再通過體外生殖細胞誘導和體外受精， 獲得子代胚胎， 結合基因組選擇技術，可以在實驗室中完成優良家畜胚胎的批量生產和精準選擇，實現家畜干細胞育種，可顯著縮短世代間隔和提高選擇強度， 快速獲得30~40倍的遺傳增益，實現重要經濟性狀的快速遺傳改良。
該研究受到國家重點研發計劃（2016YFA0100202）、高層次人才計劃等項目資助， 中國農業大學生物學院博士生郅明雷、張金穎， 四川農業大學唐茜子教授， 中國農業大學動物科技學院高帥副教授， 中國科學院動物研究所余大為博士為本文共同第一作者， 中國農業大學生物學院韓建永教授， 四川農業大學李明洲教授， 中國科學院北京基因組研究所鄭彩宏博士， 東北農業大學劉忠華教授為本文的共同通訊作者。云南農業大學魏紅江教授和中國科學院動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：生物學院
日期：2021-12-06
豬既是重要的家畜，也是重要的實驗動物，在基礎研究、人類疾病模型、異種器官移植等領域用途廣泛。針對家畜胚胎上胚層多能干細胞建系困難，傳代次數短，難以承受多次基因編輯操作等國際難題， 中國農業大學韓建永團隊聯合四川農業大學、中國科學院動物研究所、中國科學院北京基因研究所、東北農業大學等單位，以豬為模式生物，開展了聯合科技攻關，取得家畜胚胎干細胞領域的重大突破。
研究人員從早期胚胎多能性發育調控分子機制入手，攻克豬早期胚胎單細胞分離技術， 首次繪制了豬胚胎第0-14天（完整的附植前階段）高質量單細胞轉錄組圖譜， 解析了豬上胚層多能性狀態 （初始態、中間態和激發態） 變化及調控的分子機制；基于單細胞數據， 創制了豬原腸化前上胚層多能干細胞 （pgEpiSCs） 培養體系， 成功建立15株細胞系， 細胞維持上胚層多能性狀態， 具有典型干細胞特征， 最長傳代次數超過260代，是目前世界上已報道傳代次數最多的大動物干細胞系；對pgEpiSCs進行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學聯合分析，從三維基因組層面發現pgEpiSCs具有較強的組織分化能力， 鑒定了75個在pgEpiSCs中具有重要功能的轉錄因子， 為后續豬多能干細胞調控機制研究奠定了重要基礎；通過對pgEpiSCs進行3次不同方式基因編輯，包括隨機插入、CRISPR/Cas9介導的定點插入以及單堿基編輯器介導的堿基C到T置換， 并以經過三次基因編輯的干細胞系為供體細胞， 通過核移植技術，獲得來源于pgEpiSCs、出生存活的基因編輯克隆豬，解決了家畜干細胞難以承受長周期、多次基因編輯的國際難題。
該成果具有廣闊的應用前景：
一是在生命科學基礎研究領域，作為一種全新的、穩定的豬胚胎多能干細胞系，pgEpiSCs成功建系開創了家畜多能干細胞研究的新方向。與小鼠相比，豬的胚胎發育和人類更加相似， 豬的胚胎干細胞是研究人類胚胎發育更為理想的細胞模型。通過豬、人、小鼠等不同物種的多能干細胞比較，能夠發現干細胞多能性維持的物種間差異性和統一性， 為異種器官移植等再生醫學研究提供理論依據。
二是在細胞培養肉領域，pgEpiSCs可作為未來細胞培養等基于細胞的功能性產品的種子細胞。目前細胞培養肉研制的種子細胞多為肌肉和脂肪細胞的祖細胞， 并不具有長期傳代增殖能力，成為體外大規模生產細胞培養肉的技術瓶頸。pgEpiSCs能夠在體外長期穩定傳代， 通過體外大規模培養， 獲得大量初始細胞， 再通過定向誘導分化獲得肌肉細胞和脂肪細胞，可以解決“種子細胞”傳代時間短等細胞培養肉的技術難題。
三是在醫學模式動物研究領域，pgEpiSCs與基因編輯結合， 可用于構建人類疾病模型或抗病豬模型。傳統的基于體細胞基因編輯和克隆的技術囿于體細胞難以耐受多次基因編輯， 難以同時獲得多基因編輯克隆家畜， 通常需要采用重復性克隆（re-cloning）和重新分離成纖維細胞， 達到多基因編輯的目的，周期短，效率低。實驗證實豬上胚層多能干細胞對基因編輯有很好的耐受性，至少可以耐受三次連續的基因編輯， 這將大大縮短獲得多基因編輯克隆豬的時間和成本。
四是在家畜優良品種培育領域，pgEpiSCs通過定向誘導分化為精子和卵母細胞可以實現干細胞育種。胚胎干細胞可以在體外誘導完成配子發育的整個過程， 形成有功能的精子或卵母細胞。將干細胞與基因組測序和基因組選擇等技術結合， 再通過體外生殖細胞誘導和體外受精， 獲得子代胚胎， 結合基因組選擇技術，可以在實驗室中完成優良家畜胚胎的批量生產和精準選擇，實現家畜干細胞育種，可顯著縮短世代間隔和提高選擇強度， 快速獲得30~40倍的遺傳增益，實現重要經濟性狀的快速遺傳改良。
該研究受到國家重點研發計劃（2016YFA0100202）、高層次人才計劃等項目資助， 中國農業大學生物學院博士生郅明雷、張金穎， 四川農業大學唐茜子教授， 中國農業大學動物科技學院高帥副教授， 中國科學院動物研究所余大為博士為本文共同第一作者， 中國農業大學生物學院韓建永教授， 四川農業大學李明洲教授， 中國科學院北京基因組研究所鄭彩宏博士， 東北農業大學劉忠華教授為本文的共同通訊作者。云南農業大學魏紅江教授和中國科學院動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：生物學院
日期：2021-12-06
