利用單倍體滋養(yǎng)層干細(xì)胞 促進(jìn)胎盤正常發(fā)育

胎盤是維持胎兒生命的重要器官，被譽(yù)為“生命樹”。日前，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)涱I(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)利用可誘導(dǎo)過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子CDX2的方式在體外獲得單倍體滋養(yǎng)層干細(xì)胞，該新型單倍體干細(xì)胞只有一套基因組，可在體外無限增殖并具備分化成為胎盤譜系各種細(xì)胞的潛能。因此該研究猶如找到了生命樹成長發(fā)育的“鑰匙”，為胎盤發(fā)育、功能分析及胎盤疾病的致病機(jī)制研究提供了理想的體外模型，相關(guān)論文發(fā)表于細(xì)胞出版社旗下《整合科學(xué)》雜志。

單倍體細(xì)胞沒有基因“備份”

“真核生物的遺傳信息一半來自于父本一半來自于母本，因此自然情況下細(xì)胞中具有兩套染色體，這也是哺乳動(dòng)物傳遞遺傳信息的方式，并通過減數(shù)分裂的方式抵御環(huán)境變遷，保障物種繁衍。但是對(duì)于遺傳學(xué)研究尤其是隱性遺傳基因功能的探索，二倍體細(xì)胞往往由于存在等位基因而受限。”帥領(lǐng)教授向科技日?qǐng)?bào)記者介紹說，“兩套染色體相當(dāng)于‘雙保險(xiǎn)’，如果對(duì)其中一個(gè)基因進(jìn)行調(diào)控，由于存在對(duì)應(yīng)的等位基因‘備份’，使得被改變的基因不能立刻突顯功能。然而，只有一套染色體的單倍體細(xì)胞，沒有基因‘備份’，我們對(duì)任意基因的更改，都會(huì)瞬間帶來表型的改變。這對(duì)于我們探索生命現(xiàn)象、破解基因密碼十分有利。”

據(jù)帥領(lǐng)介紹，自2011年以來，小鼠和人類等哺乳類的單倍體胚胎干細(xì)胞系相繼被頂級(jí)科技期刊報(bào)道過，然而，對(duì)于胎盤發(fā)育格外重要的胚外譜系的單倍體細(xì)胞系目前尚無報(bào)道。“我們這次實(shí)驗(yàn)是用小鼠完成的。”論文第一作者、南開大學(xué)藥學(xué)院博士彭柯力介紹說，小鼠胚胎發(fā)育到桑椹胚后，桑椹胚進(jìn)一步發(fā)育，細(xì)胞發(fā)生第一次命運(yùn)決定，分化為兩類細(xì)胞。聚集于胚胎一端且處于內(nèi)部的個(gè)體較大的細(xì)胞群，稱為內(nèi)細(xì)胞團(tuán)(簡稱ICM)，其具有發(fā)育全能性，能夠發(fā)育成胎兒的各種組織;而沿著透明帶內(nèi)壁擴(kuò)展和排列的細(xì)胞群稱為滋養(yǎng)層外胚層(簡稱TE)，未來發(fā)育成胎膜和胎盤組織。

在適宜的體外培養(yǎng)條件下，可以分別從囊胚中的ICM和TE分離并建立胚胎干細(xì)胞(簡稱ESCs)細(xì)胞系與滋養(yǎng)層干細(xì)胞(簡稱TSCs)細(xì)胞系。”彭柯力解釋道，在適宜的體外培養(yǎng)條件下，ESCs能夠維持自我更新，保持無限增殖并且不分化的狀態(tài)，同時(shí)保留分化為三胚層的發(fā)育潛能;同樣的，在適宜條件下，TSCs也能夠維持自我更新，保持無限增殖的能力，并且保留分化為滋養(yǎng)層譜系所有類型細(xì)胞的潛能，可以研究胚外組織發(fā)育生命現(xiàn)象。

胎盤遺傳學(xué)研究的理想體外模型

與ESCs不同，TSCs能夠分化為胎盤中不同類型的滋養(yǎng)層細(xì)胞，是胎盤遺傳學(xué)研究的理想體外模型。但是，目前對(duì)TSCs的雙等位基因編輯效率較低，這大大限制了其應(yīng)用。

帥領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子CDX2的可誘導(dǎo)化過表達(dá)可以將單倍體ESCs轉(zhuǎn)化為TSCs。然而，所有單倍體細(xì)胞培養(yǎng)物都傾向于加倍回到二倍體，如何抑制單倍體細(xì)胞的“自發(fā)二倍化”成為工作難點(diǎn)。

“我們通過敲除基因組中的p53基因解決了這一問題，確保了單倍體TSCs在長期體外培養(yǎng)過程中維持單倍性，凸顯了其在胚外組織中的遺傳學(xué)篩選研究優(yōu)勢。”帥領(lǐng)說。

據(jù)介紹，這次獲得的單倍體TSCs不僅可以在體外分化成胎盤譜系的多種細(xì)胞，也能在體內(nèi)模擬胎盤發(fā)育(產(chǎn)生出血灶)。

為了驗(yàn)證單倍體TSCs“基因篩選利器”的判斷，帥領(lǐng)團(tuán)隊(duì)借助轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)高效引入基因突變，并成功篩選出了海綿滋養(yǎng)層細(xì)胞的限制基因——HTRA1。“正常的單倍體TSCs可以分化為出血灶、合胞體滋養(yǎng)層、海綿滋養(yǎng)層、滋養(yǎng)層巨細(xì)胞等。HTRA1相當(dāng)于一個(gè)‘閘門’，敲除它使得滋養(yǎng)層干細(xì)胞更多地定向分化到海綿滋養(yǎng)層，大幅度提高海綿滋養(yǎng)層的分化效率。”

與帥領(lǐng)團(tuán)隊(duì)論文發(fā)表同一天，中科院動(dòng)物研究所周琪院士、李偉研究員團(tuán)隊(duì)還于《細(xì)胞報(bào)告》在線發(fā)表研究論文，也從發(fā)育能力到組學(xué)等多方面論證了單倍體滋養(yǎng)層干細(xì)胞是一類真正的具有胚外發(fā)育潛能的單倍體細(xì)胞系。“未來，我們或許也可以利用單倍體滋養(yǎng)層干細(xì)胞找到影響胎盤發(fā)育或者導(dǎo)致胎盤疾病發(fā)生的藥物作用靶點(diǎn)，從而更好地促進(jìn)胎盤正常發(fā)育。”帥領(lǐng)說。

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