中国科学家建立的“类精子细胞”单倍体细胞系，改写生殖规则
导读：近日，一则关于“两颗卵子产健康幼鼠”的消息受到了关注，有些人认为此类研究改写了生殖规则。那么改写生殖规则的研究到底是怎样的研究？该技术是否能在实验室以外的地方用？
来源：生物探索（2015/11/20）；
链接：http://www.biodiscover.com/news/research/123897.html
国际顶级期刊关注中国科学家建立的“类精子细胞”单倍体细胞系
悉知，被称为改写生殖规则的研究实际上是中国科学家目前研究的“类精子细胞”单倍体细胞系，该研究自启动之后成果二度发表于国际顶级期刊上。
2012年，中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组与徐国良研究组合作从小鼠的精子中建立了孤雄单倍体胚胎干细胞，并证明这些细胞能够代替精子使卵母细胞“受精”产生半克隆小鼠，该项研究成果成功入选2012年中国科学十大进展。
2015年7月10日，国际学术期刊《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）在线发表了李劲松研究组的研究成果，他们建立了能稳定支持半克隆小鼠出生的“类精子细胞”单倍体细胞系，并证明这些细胞能携带CRISPR-Cas9文库一步产生大量携带不同突变基因的小鼠。该成果填补了哺乳动物在个体水平上进行遗传筛选的空白，为遗传发育研究提供新的体系。
2015年11月17日国际学术期刊《细胞研究》在线发表了李劲松研究组的最新研究成果。李劲松研究组继建立能稳定支持半克隆小鼠出生的“类精子细胞”单倍体细胞系之后，该研究团队在单倍体细胞技术上又取得新突破，该研究从卵子中产生了能代替精子使用的单倍体胚胎干细胞，并证明这些细胞能高效产生半克隆小鼠，从而简化了单倍体胚胎干细胞技术，促进单倍体胚胎干细胞技术的广泛应用。
“类精子细胞”单倍体细胞系的研发历程
2012年，李劲松研究组与徐国良研究组合作从小鼠的精子中建立了孤雄单倍体胚胎干细胞系，并证明这些细胞能够代替精子使卵母细胞“受精”产生半克隆小鼠。然而，单倍体细胞随着体外培养传代，特别是经过遗传编辑后，逐渐丢失了产生半克隆小鼠的能力。2015年7月，李劲松研究组又通过在孤雄单倍体胚胎干细胞中去除H19-DMR和IG-DMR后，建立了能稳定支持半克隆小鼠出生的“类精子细胞”单倍体细胞系。不过，建立精子来源的孤雄单倍体胚胎干细胞系需要借助复杂的核移植技术，这极大限制了单倍体细胞技术的应用。为此，研究人员尝试是否能从卵子建立能代替精子使用的单倍体细胞系。
研究人员首先通过孤雌激活卵子的方法获得了单倍体的孤雌发育的囊胚，并从中建立了6株孤雌单倍体胚胎干细胞，随后他们将其注入卵子中产生胚胎并移植到假孕小鼠的子宫内，然而所有的移植胚胎均不能发育成个体。为了解释孤雌单倍体胚胎干细胞为什么不能支持半克隆小鼠的发育，研究人员比较了孤雌单倍体胚胎干细胞与孤雄单倍体胚胎干细胞的全基因组以及所有印记基因的表达，发现这两类细胞具有非常相似的表达模式。研究人员通过进一步分析调控印记基因表达区域的甲基化状况发现，卵子来源的孤雌单倍体胚胎干细胞的雌性印记基因在细胞建立和传代过程中会快速丢失，从而逐渐建立一种类似于精子来源孤雄单倍体胚胎干细胞的基因表达模式。
基于研究组此前一项研究发现，在孤雄单倍体胚胎干细胞中去除H19-DMR和IG-DMR后会产生“类精子细胞”的单倍体细胞系，因此，研究人员进一步尝试是否在孤雌单倍体干细胞中去除H19-DMR和IG-DMR也会产生相似的情况。令人惊奇的是，敲除H19-DMR和IG-DMR的孤雌单倍体干细胞能高效支持半克隆小鼠的产生，达到15.5%的出生效率。而且，半克隆小鼠均能健康发育到成年并具有生育能力。
这一研究从卵子中产生了能代替精子使用的单倍体细胞，并证明这些细胞能高效产生半克隆小鼠，从而大大简化了单倍体干细胞技术，将促进单倍体干细胞的应用。同时，研究成果提供直接证据证明印记基因的正常表达是胚胎发育的关键因素。接下来，研究人员仍需要进一步的研究来解释H19和Gtl2这两个印记基因调控半克隆胚胎发育的具体机制。
该工作得到了国家科技部、国家基金委、中国科学院（干细胞先导专项）以及上海市科委经费的支持。
尽管获突破，但科学家强烈反对利用该技术来制造人类后代
据香港《南华早报》网站11月18日报道，对于此结果研究人员们强烈反对利用这种技术来制造人类后代，因为这会引发严重的伦理和基因问题。
李劲松说：“整个过程都无须雄性参与。精子是可以被取代的，这在实验中可以清晰看到。我们所需的只是一对卵子，用这些卵子我们可以制造出健康的幼崽，组成一个家庭，一个集群，甚至一个王国。”
在该研究中，研究人员发现两个基因H19和Gtl2，可以影响两个卵子对彼此的“坏印象”。李劲松说：“第一印象总是很重要。自然的卵子对彼此有坏印象，所以它们无法融合。”该研究团队抑制了这种“坏印象”机制的办法是，控制上述两个基因在卵生干细胞中的表达，然后再将该细胞介绍给另一颗卵子。这一招见效了，胚胎也随之产生。 但100个人工制造的胚胎，最终只能产出大约15只健康幼崽。李劲松说，他们希望将成功率提升到20%。
李劲松说：“但无论我们怎样优化技术，都不可能是100%安全的。所以，我们永远不会将这技术用在人类身上。自然创造了男人和女人，差异的存在肯定有充分理由。欺瞒（差异）不仅会产生伦理危机，还会导致不可测的后果，比如恶性变异和疾病。”
研究员们还指出，如果只用两个父亲的基因材料，上述方法就无法奏效。李劲松说：“两颗精子不能创造婴儿。你总是需要一个卵子。精子比卵子小得多、简单得多。卵子有可能被改变成精子，但反过来就会困难得多。”
研究人员表示研究的最终目的是探索有关生命的最基本的议题。李劲松说：“生命开始的最初发生了什么事？自然为什么要让男人和女人一起创造后代？通过什么机制实行性别法则？这些问题仍然吸引着生物学家的兴趣，就像宇宙大爆炸吸引着物理学家一样。我们的研究也许能提供一些线索，有助解答部分谜团。”
当被问到这种科技是否对内地的女同性恋伴侣有利时，性学家、中国社科院退休教授李银河说，并非所有女同性恋伴侣都想有自己的亲生孩子。她还表示，对有关技术应该高度谨慎。
李银河说：“如果我们要在人类身上运用这种技术的话，应该要极其小心。在安全性和伦理问题得到解决之前，这种技术应该长期留在科学实验室里。”
备注：本文内容整合自中国科学院上海生命科学研究院官网、南国早报中文网。
Mouse androgenetic haploid embryonic stem cells (AG-haESCs) can support full-term development of semi-cloned (SC) embryos upon injection into MII oocytes and thus have potential applications in genetic modifications. However, the very low birth rate of SC pups limits practical use of this approach. Here, we show that AG-haESCs carrying deletions in the DMRs (differentially DNA methylated regions) controlling two paternally repressed imprinted genes, H19 and Gtl2, can efficiently support the generation of SC pups. Genetic manipulation of these DKO-AG-haESCs in vitro using CRISPR-Cas9 can produce SC mice carrying multiple modifications with high efficiency. Moreover, transfection of DKO-AG-haESCs with a constitutively expressed sgRNA library and Cas9 allows functional mutagenic screening. DKO-AG-haESCs are therefore an effective tool for the introduction of organism-wide mutations in mice in a single generation.
Mammalian haploid embryonic stem cells (haESCs) have been recently generated from parthenogenetic and androgenetic embryos1,2. Both parthenogenetic haESCs (PG-haESCs) and androgenetic haESCs (AG-haESCs) can be used for cell-based reverse and forward genetic screens on a whole-genome scale3,4. AG-haESCs, after intracytoplasmic injection into oocytes (referred to as ICAHCI), can be used as a sperm replacement to produce healthy semi-cloned (SC) mice at a rate of ~2% of transferred embryos5,6. Interestingly, after inhibiting the expression of two paternally imprinted genes (H19 and Gtl2) in AG-haESCs by removal of their differentially methylated DNA regions (DMRs), these cells can efficiently and stably support the generation of healthy SC pups at a rate of ~20%7. Nevertheless, the feasibility of using PG-haESCs for generation of SC mice via oocyte injection has not yet been demonstrated. We reason that, if PG-haESCs can support the efficient generation of SC mice, it is not necessary to make AG-haESCs by injection of sperm heads into enucleated oocytes, a complex procedure that is very difficult to handle. In this study, we show that PG-haESCs exhibit highly similar gene expression profiles to those of AG-haESCs, and after removal of H19 and Gtl2 DMRs, DKO-PG-haESCs can efficiently produce SC pups. Thus, our study establishes haploid cells from oocytes that have the ability to efficiently produce mice by injection into oocytes.
posted on 2015-12-01 17:28 Paulcnblogs 阅读(909) 评论(0) 编辑 收藏 举报
