MicroRNA对胚胎干细胞的多能性网络调控

胚胎干细胞(Embryonic stem cells, ESCs)是一类能够无限增殖和诱导分化为多种类型细胞的干细胞。MicroRNA(miRNA)是一类内源性具有调控基因表达功能的非编码RNA, 在ESCs增殖和分化过程中起重要作用。MiRNA可以通过对ESCs多能性网络中的转录因子、细胞周期、表观遗传学、信号转导等方面调控, 促使ESCs维持多能性状态。文章重点综述了miRNA的生成过程、调控ESCs多能性的主要miRNA家族以及miRNA对ESCs多能性网络调控作用等内容。     

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。     

哺乳动物单倍体胚胎干细胞的建立与应用

哺乳动物胚胎干细胞通常为二倍体,限制了其在后基因组时代功能基因研究上的应用.近年来,随着不同物种单倍体胚胎干细胞的建立,科学家获得了一种可用于高通量正反向遗传筛选的细胞工具.单倍体胚胎干细胞具有类似于二倍体胚胎干细胞的无限增殖能力、基因表达模式、分化潜能等特点,可以在细胞水平开展遗传筛选研究;通过不同物种单倍体干细胞的融合形成异源二倍体细胞可以用于研究基因的演化.另外,小鼠单倍体胚胎干细胞可代替配子用于产生动物,这为研究基因印记在胚胎发育过程中的作用、快速构建携带复杂基因修饰的模式动物、进行个体水平遗传筛选等提供了一个新的遗传学工具.最近,单倍体胚胎干细胞的基因组标签计划的提出,以构建所有编码蛋白质基因的标签小鼠资源平台为目的,将促进蛋白质研究的标准化,并为揭开胚胎发育复杂而有序的蛋白质调控网络提供工具.     

双三体胚胎干细胞的增殖与分化特征分析

该文旨在研究双三体胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)在细胞增殖、分化以及畸胎瘤形成等方面的特征,揭示非整倍体与肿瘤发生之间的关系。首先建立了两株常染色体双三体的小鼠ESC株系,通过微阵列比较基因组杂交(array comparative genomic hybridization,array CGH)和荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization,FISH)实验对双三体ESC株系进行了染色体拷贝数分析和核型鉴定;通过绘制细胞生长曲线检测了双三体ESCs的增殖能力;通过流式细胞术检测了双三体ESCs的细胞周期和细胞凋亡情况;采用细胞克隆形成实验分析了双三体ESCs的克隆形成效率;通过实时荧光定量PCR和免疫荧光染色实验检测了双三体ESCs中多能干细胞标志物的表达;通过撤掉培养体系中的白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor,LIF)诱导分化和进行拟胚体(embryoid body,EB)形成实验检测了双三体ESCs的分化能力;通过重度联合免疫缺陷(severe combined immunodeficiency,SCID)小鼠皮下接种细胞实验分析了双三体ESCs的畸胎瘤形成能力和体内分化能力。结果显示,这两株双三体细胞分别是3号与6号染色体双三体并伴有Y染色体丢失的ESCs(DTs-3+6),以及6号与8号染色体双三体的ESCs(DTs-6+8)。双三体ESCs表现出相对于野生型细胞较强的生长增殖能力和OCT4、SOX2、NANOG等多能干细胞标志物的高表达。当培养液中不添加LIF时,野生型细胞基本完全走向分化,而双三体细胞形成许多未分化或部分分化的克隆,碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,AP)染色阳性。在EB分化早期,双三体细胞中Fgf5、T、Foxa2等三胚层标志物的表达水平较野生型细胞明显降低,分化滞后。当被接种到SCID小鼠皮下后,双三体ESCs形成畸胎瘤的能力较野生型细胞增强,畸胎瘤中包含大量未分化区域。因此,双三体ESCs的生长增殖能力增强,它通过限制细胞分化能力而促进畸胎瘤形成。双三体ESCs是研究非整倍体在肿瘤发生发展过程中作用的重要模型。     

胚胎干细胞周期调控的研究进展

胚胎干细胞（embryonic stem cells,Escs）具有自我复制和多潜能分化的特性。相对于体细胞,胚胎干细胞的细胞周期调控非常特别。比如,G1期较短;P53、RB等调控细胞周期“检验点”的蛋白分子功能“异常”等。胚胎干细胞细胞周期调控的研究对于研究胚胎干细胞的自我复制和多潜能性,都具有重要指导意义。该文将重点比较体细胞和胚胎干细胞在细胞周期调控方面的差异,并对近年来有关小鼠和人胚胎干细胞的细胞周期调控的研究进展进行介绍。     

“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。     

人类及小鼠胚胎干细胞的不同多能性状态

胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)是来源于早期胚胎的全能性细胞,在合适条件下具有分化为任何一类成体细胞的潜力。在小鼠中,根据细胞来源的胚胎发育时间,ESCs可以被分为原始态多能性(na(?)ve pluripotency)和始发态多能性(primed pluripotency)两种状态。这两种状态的细胞在发育上相互联系,具有不同的形态、信号依赖、发育性质、基因表达及表观遗传学性质,并且在特定的条件下可以相互转化。人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)的发育潜能曾一度被认为低于小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESCs),直到人类原始态胚胎干细胞的发现证明了hESCs可以表现出与mESCs相似的性质。这对于人类胚胎发育的研究及ESCs在临床治疗上的实际应用都具有重要的意义。     

胚胎干细胞起源的探讨

目前胚胎干细胞(ESCs)建系的取材来源包括桑椹胚的卵裂球、囊胚的内细胞团(ICM)、上胚层细胞和原始生殖细胞(PGCs),甚至从新生鼠睾丸细胞也分离得到类ES样细胞系。这就提出了一个问题,什么是ESCs最接近的体内细胞来源。传统观念常常把ESCs等同于ICM细胞,也有学者认为ESCs更象上胚层细胞,而在已知的分子标记基因方面,ESCs所具有的特征更接近体内早期生殖细胞。不清楚ESCs最接近的体内细胞来源,可能是制约许多品系小鼠和大多哺乳类动物建系成功率提高的原因之一。ESCs系与EG细胞系的分离条件不同表明,加强对ESCs多能性维持基因调控研究具有重要意义。本文从ESCs的经典概念及其发展,早期胚胎细胞和生殖细胞发育规律,早期胚胎细胞、早期生殖细胞和ESCs的关系等方面进行综合分析,认为ESCs可能有多种接近的体内细胞来源。进一步应通过对ESCs建系不同的取材细胞和不同品系的ESCs间进行比较研究,以便弄清ESCs的来源和转化机制,为提高不同物种ESCs建系效率提供理论支持。     

Wdr82调控小鼠胚胎干细胞体外的增殖和分化

Setd1a复合物和Setd1b复合物(Setd1a/b)是进化上功能高度保守的表观遗传调控因子,主要包括Setd1a/b、Wdr82、Wdr5、Rbbp5、Ash2L、Dpy-30、Hcf-1等,催化组蛋白H3第4位赖氨酸(H3K4)的甲基化,进而激活基因转录。Wdr82是Setd1a/b复合物中特有的非催化亚基,其在胚胎发育过程中的作用尚不清楚。该研究利用小鼠胚胎干细胞(moue embryonic stem cells,m ESCs)的体外培养和分化系统发现,在m ESCs分化过程中,Wdr82的表达水平显著降低。在m ESCs中敲低Wdr82后,m ESCs的增殖速度显著减缓,而其多能性不受影响。利用拟胚体分化体系发现,Wdr82敲低后,拟胚体的形成速度变慢,自主搏动的时间明显滞后。综上所述,该结果揭示了Wdr82在m ESCs体外增殖和分化过程中的重要作用。     

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。     

血管紧张素Ⅱ在胚胎干细胞向心肌细胞分化中的作用

为检测血管紧张素Ⅱ（angiotensin Ⅱ,AⅡ）对小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs）向心肌细胞方向分化的作用,采用10-4 mol/L维生素C诱导小鼠R1胚胎干细胞分化为心肌细胞. Western印记检测胚胎干细胞诱导分化的心肌细胞中表达血管紧张素Ⅱ1 型受体(angiotensin Ⅱ type 1 receptor,AT1R).诱导分化期间用1 μmol/L AⅡ刺激胚胎干细胞,计数搏动拟胚体的比例;诱导分化第14 d用real-time RT-PCR 和Western 印记检测心肌标志物的表达确定其作用. 结果显示,与对照组相比,1 μmol/L AⅡ处理组可显著增加搏动拟胚体的比例,上调心肌标志物mRNA的表达. 预先用1 μmol/L洛沙坦处理1 h后可显著阻碍这种上调作用. 本实验结果表明,AⅡ通过AT1R可促进小鼠R1胚胎干细胞向心肌细胞分化.     

Fbxw7在干细胞维持中的作用

干细胞拥有独特的细胞周期状态,具有自我更新和多向分化的潜能。干细胞一般分为成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多功能干细胞三大类。成体干细胞一般处于静止状态,在需要增殖的情况下,可以转换到增殖状态。然而,胚胎干细胞和诱导多功能干细胞会一直保持快速增殖的状态,直到出现分化诱导,中止细胞周期进程。揭示干细胞细胞周期的调控机制,能帮助我们更好地了解干细胞自我更新和分化之间的调控。目前已经鉴定出许多细胞因子及小分子化合物能促进干细胞增殖,但相关的负调控因子却了解不多。Fbxw7(F-box and WD40 repeat domaincontaining 7)作为一种泛素连接酶,能负向调控造血干细胞、神经干细胞、胚胎干细胞、精原干细胞以及肿瘤干细胞等的细胞周期进程,尤其是在调控成体干细胞的静止、增殖和分化方面有重要作用。     

人胚胎干细胞对A549、HepG2细胞增殖与凋亡的影响

本研究以探讨人胚胎干细胞(human embryonic stem cells,h ESCs)对肿瘤细胞A549、Hep G2增殖与凋亡的影响为目的,以h ESCs、A549细胞、Hep G2细胞作为研究对象,采用transwell小室在体外分别建立h ESCs与A549、Hep G2细胞的非接触式共培养的方法,设置Co-A549、Co-Hep G2作为实验组,单独培养的A549、Hep G2细胞作为对照组,采用CCK-8法检测细胞增殖水平,Hochest33258染色和流式细胞术检测细胞的凋亡,q RT-p CR和Western blotting检测Bcl2、Bax及Caspase-3的m RNA转录水平和蛋白表达水平。CCK-8检测显示,实验组细胞的增殖受到显著抑制(p0.05),Hochest33258染色观察到实验组细胞出现核固缩、变形,流式细胞术检测到实验组细胞的凋亡率显著高于对照组(p0.05),q RT-p CR和Western blotting显示h ESCs可上调实验组细胞Bax、Caspase-3的表达,下调Bcl2的表达(p0.05)。由此我们得到人胚胎干细胞对肿瘤细胞A549、Hep G2有明显的增殖抑制作用并可诱导A549、Hep G2肿瘤细胞的凋亡的结论,为干细胞治疗肿瘤的研究奠定了实验基础。     

高效建立129/ter、C57BL/6J小鼠胚胎干细胞系的方法学探讨

小鼠胚胎干细胞 (ＥＳ细胞 )是从小鼠囊胚内细胞团(ＩＣＭ)分离出来的、在体外培养过程中可维持未分化状态、正常二倍体核型及无限增殖能力 ,具有多能性或全能性的细胞系[1～ 3 ] 。ＥＳ细胞广泛应用于克隆动物制作、转基因动物生产、动物医学模型建立、真核细胞基因表达与调控的研究、细胞分化机制的探索、人及哺乳动物基因功能的研究以及细胞、组织、和器官的修复与移植研究。胚胎干细胞的研究和应用已成为生命科学研究的热点和前沿领域之一[4～ 8] 。自第一株 12 9小鼠ＥＳ细胞系建立以来 ,人们在生物学和医学等多个领域进行了广泛深入的…     

慢病毒介导的牛生长素基因对小鼠胚胎发育的研究

生长素是促进动物生长发育所必需的激素之一。本研究探索牛生长激素(bovine growth hormone,bGH)对小鼠胚胎发育的影响。将牛生长激素基因连接到慢病毒载体(Lenti-CMV-EF1-eGFP)形成Lenti-CMV-bGH/EF1-eGFP,重组病毒经293T细胞包装后直接感染小鼠胚胎和G1胚胎干细胞(embryonicstemcells,ESCs)。阳性表达的胚胎经体外培养,发育到囊胚期的胚胎进行胚胎移植,为直接感染组。感染的小鼠G1胚胎干细胞注射到正常昆明白小鼠囊胚制作嵌合胚胎后进行胚胎移植,为嵌合体组。分别解剖3只妊娠15d的直接感染组和嵌合组的小鼠,观察受体小鼠妊娠情况。结果发现,在1-细胞期感染胚胎,感染效率可达(74.7±6.7)%,在2-细胞期连续感染,感染效率为(79.4±5.7)%,两组感染方法的效率没有显著差异(P>0.05)。1次和2次感染胚胎发育和正常胚胎之间没有显著差异((87.6±3.5)%,(85.4±6.3)%VS(83.0±5.5)%,P>0.05)。所有移植的胚胎没有发育到足月,解剖妊娠15d的小鼠,发现直接感染组没有妊娠,嵌合组胎盘发育正常,但胚胎部分已经死亡和被吸收。因此,本研究证明bGH对小鼠附着前胚胎发育没有影响,但影响小鼠胚胎附着后的发育。这为后期bGH的研究提供参考。     

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.     

食蟹猴胚胎干细胞向间充质前体细胞诱导分化及鉴定

间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)可以诱导分化成脂肪、软骨、骨骼和骨骼肌细胞,并可作为骨骼、软骨或肌肉移植中的再生干细胞,广泛应用于细胞治疗和组织工程。胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)具有体外培养无限增殖和多向分化的特性,能被诱导分化为机体几乎所有的细胞类型。该研究通过无血清条件下诱导食蟹猴ESCs形成类胚体(embryoid bodies,EBs),然后在血清条件下贴壁分化EBs成间充质前体细胞(mesenchymal precursor cells,MPCs),再经过长期体外培养,纯化和扩增MPCs。结果显示,纯化后的MPCs具有MSCs生物学特征,并能在体外诱导分化成脂肪细胞和骨细胞。将这些细胞皮下注射给SCID小鼠,并未发现形成肿瘤,提示食蟹猴ESCs来源的MPCs具有一定的安全性。     

Id2诱导Myc表达促进小鼠胚胎干细胞自我更新

小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,m ESCs)分离自小鼠的囊胚内细胞团,在体外具有无限的自我更新能力和多向分化的潜能,因此拥有重大的社会和经济效益.前期人们发现,DNA结合抑制因子1(inhibitor of DNA binding 1,Id1)在含血清培养条件下,可以促进m ESCs自我更新,但其家族成员,如Id2和Id3,在m ESCs中的作用尚不清楚.本课题在m ESCs里分别上调Id2和Id3基因的表达,发现它们在含血清的培养条件下均具有促进m ESCs自我更新的能力,但Id2促进自我更新的能力大于Id3.通过转录组测序技术发现Id2上调c-Myc和n-Myc基因的表达水平.最后功能性验证实验证实,只有同时干扰c-Myc和n-Myc基因的表达才能够极大地削弱Id2维持m ESCs未分化状态的作用,表明Id2主要通过诱导Myc家族成员的表达来促进m ESCs的自我更新.本研究结果将扩大人们对干细胞多能性调控网络的认识,利于干细胞未来的基础研究和安全应用.     

山羊精原干细胞的鉴定及培养体系优化的研究

该研究优化了山羊精原干细胞(goat spermatogonial stem cells,g SSCs)培养体系,使山羊精原干细胞能在体外长期培养,维持自我更新的能力并保持未分化状态。取3~5月龄山羊睾丸,采用两步酶消法结合差速贴壁方法得到山羊精原干细胞悬液,分别通过形态学观察、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,AKP)染色、特异基因表达及蛋白质水平的分析对培养的细胞进行鉴定;并以山羊睾丸支持细胞(goat sertoli cells,g SCs)、小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts,MEFs)和层黏连蛋白(laminin,L)为饲养层,观察饲养层对山羊精原干细胞体外增殖的影响。结果表明,山羊精原干细胞体外增殖形成克隆簇,AKP染色呈阳性。经RT-PCR检测,Oct-4、C-myc、Cyclin D1、Ngn3和TERT等干细胞特异基因均有表达。细胞免疫组化结果显示,Oct-4、SSEA-1、α6-integrin、Vasa和Thy-1蛋白质呈阳性。克隆簇统计显示,在山羊睾丸支持细胞上形成的山羊精原干细胞(goat spermatogonial stem cells,g SSCs)克隆数与其他两组比较差异显著(P0.05)。山羊睾丸支持细胞饲养层上的精原干细胞可在体外传3~4代,培养时间为2个月。结果证明,通过两步酶消法和差速贴壁法可以分离获得山羊精原干细胞,且山羊睾丸支持细胞能够促进g SSCs的增殖。     

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。