基于“人造精子细胞”的基因组标签计划

蛋白质是一切生命活动的基础,蛋白质研究特别是生命活动中蛋白质功能网络调控的揭示成为继人类基因组计划后广受关注的重要科学问题.然而,大规模开展蛋白质研究缺乏一个高效、标准的平台,构建基因组范围的蛋白质标签模式生物资源平台是解决这一问题的关键.虽然在酵母、线虫、果蝇等模式生物上已经实现了基因组范围的蛋白质标签文库的构建,但是在小鼠个体水平上,基因组范围的蛋白质标签的构建仍然困难重重.基因组标签计划(Genome tagging project, GTP)的提出是基于孤雄单倍体胚胎干细胞(又称为"人造精子细胞")介导的半克隆技术和CRISPR-Cas9基因编辑技术的发展:首先在"人造精子细胞"上利用CRISPR-Cas9技术对特定编码蛋白质基因进行标签序列的原位插入获得相应的细胞系,进一步通过卵子注射即能获得携带标签的小鼠模型.因此,该策略简单、高效、成本低,可以用于基因组范围制备蛋白质标签小鼠. GTP的目标是给小鼠中的每个蛋白质带上标签, GTP的实施有望实现以一套标准化的方法来对每个蛋白质进行在体研究,将促进生命科学的发展.     

“人造精子”介导基因编辑技术的建立与应用

"人造精子",即小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞,是一种可在体外长期培养扩增和进行遗传操作的细胞,因其具备胚胎干细胞自我更新和多向分化的特性,并拥有代替精子使卵母细胞"受精",产生半克隆小鼠的能力,而被广泛应用于生命科学研究的各个领域。与CRISPR-Cas9技术相结合,"人造精子"能够同时实现细胞水平和动物水平的复杂基因编辑,因此可作为一个有力的研究工具。本文就"人造精子"技术的建立与改进、在基因编辑方面的应用,以及全基因组标签计划的提出与进展展开综述。     

可长期培养的“人造精子”——记小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞的建立

对于具有两倍体基因组的高等生物来说,想要进行某个基因功能的研究并非易事,需要对两个等位基因同时进行相同的操作。因此,如何在这些生物中,能像单倍体酵母那样易于开展基因筛选和改造工作,是众多科学家关心的问题。最近,Anton Wutz和JosefM.Penniger两个实验室相继获得小鼠单倍体胚胎干细胞,并证明其能很好的应用于正反向遗传筛选。但是,这些细胞是否能够将基因研究工作从细胞水平上升至动物水平,依然未知。基于此,李劲松和徐国良两个实验室通力合作,获得了小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞AG-haESC,并称其为"人造精子"。因为这种"人造精子"不仅维持了较好的雄性印迹,能够如同精子一样注入卵母细胞后将遗传性状传递给后代;并且在体外能够长期培养扩增,可应用于基因的改造工作。孤雄单倍体胚胎干细胞的成功建立,为今后更有效、更快捷地获得基因改造动物提供了新的思路。     

单倍体胚胎干细胞的获得与应用前景

单倍体细胞在遗传筛选、生物发育与辅助生殖等研究中都具有重要的应用价值。近年来,有实验室建立了哺乳动物的单倍体胚胎干细胞系,但这些单倍体胚胎干细胞是否真的具有多能性以及转基因的单倍体胚胎干细胞能否直接从细胞水平传递到动物水平,这些问题并不清楚。以自然科学基金委重大研究计划为依托,周琪实验室开展了系统的研究,获得了一系列前沿性进展:获得了具有多能性的单倍体胚胎干细胞;利用单倍体胚胎干细胞获得基因修饰动物;利用单倍体胚胎干细胞替代精、卵结合获得后代;利用单倍体胚胎干细胞进行同性生殖;利用单倍体胚胎干细胞研究物种间杂交。这一系列自主创新的研究成果推进了整个领域对单倍体胚胎干细胞的认识,大大拓展了单倍体胚胎干细胞研究的理论价值和应用前景。现主要对自然科学基金委重大研究计划中周琪实验室的原创性工作进行综述。     

“人造精子”与CRISPR-Cas

小鼠单倍体胚胎干细胞系的建立为遗传学的正反向筛选提供了一种简便而又有效的工具。除此之外,孤雄单倍体胚胎干细胞能替代精子使卵母细胞"受精"这一特性,更是实现了从细胞水平向动物水平的完美转变。无论是从制备多基因遗传操作动物模型的角度,还是在小鼠个体水平遗传筛选的层面,孤雄单倍体胚胎干细胞的出现都将为基因功能学研究带来新的生命力。然而,孤雄单倍体的"受精"能力极其有限,其产生健康半克隆小鼠的效率仅约2%,这也成为孤雄单倍体在个体水平广泛应用所面临并且亟需突破的一大瓶颈。通过正反面的实验验证,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课题组发现,雄性印记区域H19-DMR和IG-DMR的异常去甲基化是半克隆小鼠发育异常的"祸根"。通过敲除这两个DMR,成功将半克隆小鼠的出生效率提高至20%,为利用孤雄单倍体获得多基因遗传操作动物模型提供了最根本有力的保障。最后,结合CRISPR-Cas9技术,他们创建了孤雄单倍体的sg RNA文库,并成功将此"细胞文库"转化成携带基因突变的"小鼠文库",由此创建了"个体水平"遗传筛选的新方法、新思路。     

Xist敲降可以改善孤雄单倍体囊胚质量

单倍体胚胎干细胞研究一直以来吸引着研究者们的注意,它可以用作基因修饰的工具或是用于药物筛选。随着孤雄胚胎干细胞系的成功建立,更扩展了单倍体胚胎干细胞的应用前景。但单倍体孤雄胚胎发育率低,胚胎质量差,制约着孤雄单倍体胚胎干细胞的建系。为改善孤雄单倍体胚胎发育潜能及胚胎干细胞建系效率低的问题,我们检测了小鼠(Mus musculus domesticus)孤雄单倍体胚胎的体外发育过程和该过程中Xist基因表达情况。结果发现,孤雄单倍体胚胎囊胚发育率只有10%~14%,发育至囊胚所需时间差异较大,从3.5~5.5 d不等。通过核糖核酸荧光原位杂交实验(RNA-FISH)跟踪Xist基因表达情况,发现其在发育至囊胚阶段的胚胎中呈抑制状态,而在早期胚胎中多呈表达状态。通过si RNA扰低Xist表达,虽然没有改变孤雄单倍体胚胎发育到囊胚的比例,但显著提高了囊胚质量,并提高了接种胚胎内细胞团(ICM)后建立细胞系的效率。结果说明,Xist基因的表达可能是导致小鼠孤雄单倍体胚胎质量差、干细胞建系率低的原因之一。     

单倍体胚胎干细胞研究进展及思考

哺乳动物胚胎干细胞通常为二倍体,这一特性影响其在遗传筛选中的应用。近几年,科学家在单倍体胚胎干细胞(haploid embryonic stem cells,ha ESCs)的研究领域取得突破性进展。单倍体胚胎干细胞只含有一套染色体,但其克隆形态、增殖能力、基因表达模式、分化潜能等与二倍体的干细胞相似。单倍体的特点使其在正向遗传和反向遗传、生物发育以及辅助生殖等研究中具有重要的应用价值。该文从单倍体胚胎干细胞的获得、特点、进展、应用等方面进行了综述,并对单倍体胚胎干细胞研究中遇到的问题进行了思考。     

CRISPR/Cas9系统应用于早期胚胎编辑和基因治疗

CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR associated protein 9)系统具有高效、精确、操作难度较低等特点,是目前应用最为广泛的基因编辑工具。CRISPR/Cas9在构建模式动物突变体研究基因功能和构建人类疾病模型中有大量使用,但是由于相关伦理限制,在人类胚胎中进行基因编辑来探索治疗性胚胎编辑和研究人早期胚胎发育机制的研究发展较慢。人类胚胎发育机制与小鼠等模式动物的早期胚胎发育机制存在较大差异,过往在模式动物上研究的早期胚胎发育机制要在人类胚胎水平进行验证,对人类胚胎利用基因编辑工具进行直接研究越发必要,探索人类早期胚胎发育机制有助于相关发育疾病的研究与治疗。胚胎治疗性基因编辑可以实现对遗传疾病的彻底阻断,目前还处于初步探索时期,但是主要存在潜在脱靶和编辑后形成嵌合体两方面问题。相较而言,出生后个体水平的基因治疗目前发展较为快速,对遗传疾病和艾滋病等血液疾病有应用价值。现对CRISPR/Cas9近年来应用于人类胚胎编辑和基因治疗的内容进行了综述。     

潮霉素抗性的小鼠胚胎干细胞滋养层的制备

目的：获得潮霉素抗性的小鼠胚胎干细胞滋养层。方法：利用基因组整合了潮霉素B磷酸转移酶基因的小鼠品系Smad4hygro＋/-,从受精14d的小鼠胚胎中制备原代胚胎成纤维细胞;鉴定基因型后,挑选一株潮霉素B磷酸转移酶基因杂合型胚胎成纤维细胞,用丝裂霉素C处理,以获得潮霉素抗性的滋养层细胞。结果：经潮霉素B加压处理后,杂合型滋养层细胞可存活2周左右,并可维持胚胎干细胞的生长。结论：制备的滋养层细胞可用于潮霉素抗性胚胎干细胞的筛选。     

小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞增殖的研究

孤雄单倍体胚胎干细胞(androgenetic haploid embryonic stem cells,AG-ha ESCs)是来源于只具有一套精子染色体组的单倍体胚胎。小鼠AG-ha ESCs在培养中呈现克隆较小、生长缓慢的现象。该研究比较了小鼠AG-ha ESCs与正常二倍体胚胎干细胞(R1细胞)、二倍化后的AGha ESCs(DAG-ha ESCs)的生物学特征并探索其中的机制。结果表明,尽管小鼠AG-ha ESCs与R1细胞一样成集落样生长、边缘光滑清晰,但细胞大小与增殖速率均显著小于R1细胞;DAG-ha ESCs的增殖速率略高于AG-ha ESCs,但仍然显著低于R1。更为重要的是,通过RT-q PCR检测分析表明,AGha ESCs和DAG-ha ESCs细胞周期调控网络有异常,因此,单倍体基因组转录调控的异常是小鼠AGha ESCs增殖缓慢的关键因素,而不是克隆大小和二倍化。该研究为今后AG-ha ESCs细胞周期调控方面的进一步研究提供了良好的平台。     

青鳉干细胞及其应用

干细胞广泛存在于多细胞生物的早期胚胎和成体组织中.干细胞的多能性和易操作性使其在发育生物学和再生医学上具有巨大的研究和应用价值,如细胞发育潜能的调控、细胞命运的决定、细胞治疗等.干细胞培养是研究干细胞研究工作的基础,主要集中在小鼠、人和青鳉这3种脊椎动物上.青鳉是一种小型淡水鱼,常被用作发育生物学和生物医学研究的模式物种.本文将主要介绍青鳉干细胞系及其应用.青鳉的MES1是除小鼠以外的第一个胚干细胞系;SG3是第一个成体精原干细胞系,可以在体外形成具有运动能力的精子;HX1是首个单倍体胚干细胞系,通过核移植技术,将该单倍体细胞的细胞核移植到未受精卵细胞中,得到第一个可育的半克隆动物霍利.这些突破使青鳉毫无疑问地成为干细胞研究的理想模式.     

小鼠2-细胞胚胎ATP合成酶6基因特异表达分析及鉴定

合子基因组活化是小鼠胚胎早期发育由细胞质调控向核调控转变的关键 .小鼠合子基因组活化发生在 2 细胞胚胎阶段 ,通过对 2 细胞胚胎阶段特异性表达基因的分析 ,可以从分子水平上揭示早期小鼠胚胎的发育机理 .用DD RTPCR技术 ,从单个小鼠 2 细胞胚胎与成熟卵母细胞 (MII细胞 )中分离了 2个差异片段 ,片段 2同小鼠睾丸中表达的一个未知片段具有高度同源性 .经过cDNA文库构建、筛选 ,分离到其全长cDNA .序列分析结果表明 ,该基因为小鼠ATP合成酶亚单位 6基因 .ATP合成酶亚单位 6基因由线粒体DNA编码 ,与细胞内ATP的合成相关 .小鼠 2 细胞胚胎特异表达的ATP合成酶亚单位 6基因可能与胚胎正常发育相关     

干细胞生物学研究进展

自从1981年小鼠胚胎干细胞(Embryonicstemcell,ES细胞)分离培养成功以来,人们又致力于羊、猪、牛等大型动物胚胎干细胞研究,因为ES细胞在培养细胞与个体发育和体细胞与生殖细胞之间架起了桥梁。ES细胞可以作为遗传物质的载体来改造动物和研究基因对胚胎发育的影响。人体胚胎干细胞培养成功是干细胞生物学技术又一重大突破,它与动物体细胞克隆技术相结合,给组织器官工程带来美好前景。1　人体胚胎干细胞Thomson和Gearhart2个研究小组分别采用不同教材成功培养人体ES细胞,如图1示:图1　　根据鼠ES细胞研究结果,推测人体ES细胞基础和临床…     

人胚胎干细胞和拟胚体基因表达谱的初步分析

利用人类全基因组Affymetrix芯片检测人胚胎干细胞与其自发分化7d的拟胚体之间的差异表达基因.结果显示:与未分化的人胚胎干细胞相比.在分化7d的拟胚体中表达下调2倍及以上的已知和未知基因共有1100个,表达上调2倍及以上的已知或未知基因共有2283个.利用Gostat对这些差异表达基因进行功能分析,发现它们分别与细胞的生物代谢过程、信号传导通路、系统发育、细胞分化、分子功能及亚细胞组分相关.胚胎干细胞具有自我更新能力,是研究早期胚胎发育理想的细胞模型,因此对差异表达基因的功能研究有助于了解维持人胚胎干细胞自我更新的分子机制以及胚胎发育早期的分子事件.     

基因剔除小鼠研究的新进展

基因剔除小鼠是活体内研究基因及蛋白质功能的理想动物模型。传统的基因剔除技术存在表型分析复杂、周期长、操作繁杂等缺点,如何更科学、更方便地建立基因剔除小鼠模型成为目前使该技术更好地应用于医学研究的关键。本文从胚胎干细胞（ES细胞）的遗传背景、组织特异性基因表达基因剔除小鼠及基因剔除技术上的革新几方面介绍了目前基因剔除小鼠研究的一些最新进展。     

鲤鱼多态性EST标记的筛选与特性分析

表达序列标签(Expressed sequence tag,EST)标记在基因组作图和分子标记辅助育种研究中具有重要价值.筛选和开发可用于遗传作图的鲤鱼多态性EST标记,对研究鲤鱼的基因组结构、遗传多样性研究和遗传育种有重要意义.本研究根据GenBank数据库中鲤鱼EST序列设计了67对EST引物,有47对在鲤鱼基因组DNA中成功扩增得到稳定的特异性条带,经单链构象多态性(SSCP)分析,12对(25.5%)引物扩增的EST在1个鲤鱼回交家系中具有多态性,其中6个为鲤鱼功能基因,5个与斑马鱼(Danio rerio)功能基因具较高相似性,1个与斑点叉尾(Ictalurus punctatus)功能基因具较高相似性.这些多态性的EST在鲤鱼二倍体家系和单倍体群体中的等位基因分离均符合孟德尔规律(1∶1或3∶1),单倍体中的SSCP条带数目为二倍体的二分之一.选用其中4对多态性的EST引物对洞庭湖鲤鱼进行初步群体遗传分析,结果显示基因多样性(H)为0.437,远低于微卫星标记所揭示的该群体基因多样性(接近于1).结果表明,多态性的EST-SSCP标记尽管遗传变异性较低,但是作为来源于编码区的Ⅰ型遗传标记,在遗传作图和种群遗传适应性等研究中有较好的应用潜力.     

体细胞重编程为诱导多能干细胞的研究

通过逆转录病毒将4个基因(Oct4 、 Sox2、c-Myc和Klf4)导入小鼠胚胎成纤维细胞 (mouse embryonic fibroblast, MEF)中,能诱导形成胚胎干细胞样特性的诱导多能干(induced pluripotent stem, iPS)细胞.人类iPS细胞的成功构建开拓了广泛的应用前景.本文简要综述了 iPS细胞的基因筛选,转导基因的选择以及iPS细胞的表观遗传特性等.     

非人灵长类基因修饰模型构建技术研究进展

随着以CRISPR-Cas9为代表的新型基因编辑技术的出现及发展应用,科学家们在构建非人灵长类基因修饰模型方面取得了很多重要进展。然而,首建动物嵌合、复杂基因修饰低效、传代周期长以及遗传背景复杂等多方面因素极大地限制了非人灵长类基因修饰模型的开发和应用。现对目前非人灵长类基因编辑模型构建的进展进行综述,并重点对基因编辑技术结合体细胞核移植、精原干细胞、胚胎干细胞及单倍体干细胞等技术手段在非人灵长类基因修饰模型构建中的进展进行综述和展望。     

四类不同倍性鲫鱼在胚胎发育期间同工酶基因表达的比较分析

用聚丙烯酰胺梯度凝胶电泳比较分析了单倍体、二倍体、三倍体和复合四倍体4类不同倍性鲫鱼以及单倍体和二倍体鲤鱼在胚胎发育时期4种同工酶(EST,LDH,MDH,SOD)酶谱。结果表明,单倍体鲫鱼和单倍体鲤鱼胚胎与各自的二倍体胚胎相比,同工酶酶谱看不出差异;天然三倍体银鲫胚胎的MDH和SOD同工酶酶谱与二倍体鲫相似,但EST和LDH同工酶比二倍体增多了酶带,有的酶带如EST5和EST6还可在鲤鱼胚胎中找到相应的表达产物,提供了天然雌核发育三倍体银鲫杂交起源的证据;复合四倍体由于含有鲤鱼的一个外来基因组,其胚胎的基因表达有些与杂种类似,在所分析的4种同工酶酶谱中,都可观察到来自鲤鱼基因的影响。此外,在由源于不同复合四倍体个体的卵子发育形成的胚胎间,还观察到同工酶基因表达的异质性。     

通过胚胎干细胞途径获得的嵌合体小鼠中neo基因在各组织中的分布

为探讨小鼠胚胎干细胞参与早期胚胎发育的潜能,以neo基因作为目的基因进行了胚胎干细胞的转染,经G418的筛选,获得表达neo基因的单克隆细胞,挑取部分克隆扩大,进行小鼠囊胚腔注射,再重新植入小鼠子宫,共注射了60个囊胚,分别回输到5只假孕小鼠,在子代中得到了携带有neo基因的嵌合体小鼠。通过对嵌合体小鼠各组织PCR分析发现,neo基因可以在皮肤、肝脏、血液等多种组织中存在。