“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。     

“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。     

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.     

《细胞》：小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞系首次建立

中国科学院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组和徐国良研究组在一项合作研究中,首次建立了来自孤雄囊胚的单倍体胚胎干细胞系,而这些细胞保持了一定水平的雄性印记,并进一步验证这些细胞能够代替精子在注入卵母细胞后产生健康的小鼠。相关研究成果今天在线发表于国际著名学术期刊《细胞》（cen）,并被重点推荐。     

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.     

昆明小鼠精子冷冻的研究(简报)

胚胎工程技术是动物品种、品系培育,种质资源保存及转基因动物制备、保种的重要手段。配子的冷冻保存技术目前广泛应用于胚胎工程。和胚胎冷冻相比小鼠精子冷冻技术方便、高效尤其适用于转基因及突变系小鼠的保种。成功的精子冷冻要求复苏后通过体外受精(IVF)获得胚胎,再移植入受体,生长发育并产出幼仔。胚胎体外培养获得足够的晚桑葚胚和早期囊胚是胚胎干细胞建立与制备嵌合体小鼠的成功关键,暂时不用的胚胎应仍能耐受冷冻保存,待复苏移植,建立新的繁殖群。但小鼠精子冷冻研究在我国开展的十分有限,缺乏相关资料数据。本实验对不同周龄SPF级昆明(KM)小鼠进行精子冷冻及冻融精子IVF,并将IVF获得的2-细胞胚胎分别进行胚胎移植、体外培养、胚胎冷冻及复苏后移植,应用冻融小鼠精子进行胚胎工程实践。     

全基因组蛋白质的标签细胞和小鼠资源库建设

小鼠是最广泛使用的模式生物,构建基因改造的小鼠模型是研究基因功能和疾病发生机制的重要手段.从20世纪80年代发展至今,小鼠基因改造技术更新迭代,主要包括胚胎干细胞介导的同源重组策略、配子介导的转基因策略、以及最新基于CRISPR/Cas9技术的遗传改造策略等.由我国科学家自主研发的全新小鼠基因改造技术——"人造精子细胞...     

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.     

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。     

卵子介导细胞重编程的基础与应用研究

细胞重编程一般是指将分化细胞转变成全能性胚胎或多能性细胞的过程,是研究发育和分化的重要手段,为再生医学、疾病个体化治疗及药物筛选等提供了巨大的应用前景。诱导细胞重编程的方法有多种,如细胞培养、卵子介导的核移植(nuclear transfer)、细胞融合、山中伸弥因子介导的诱导多能干细胞(i PSC)技术等。以国家自然科学基金重大研究计划为依托,李劲松课题组围绕着卵子介导的细胞重编程领域开展了系统的研究,取得了一系列突破性的进展:完善了卵子介导的核移植体系;建立精子和卵子来源的"类精子"的单倍体胚胎干细胞系和半克隆技术;建立人和猴子的孤雌单倍体胚胎干细胞系;卵子介导的重编程与i PSC技术比较揭示影响重编程的重要因子;建立卵子介导遗传疾病治疗的策略。现主要对卵子介导细胞重编程的基础与应用研究的原创性实验成果进行综述,并展望未来关注的重点研究方向。     

小鼠精原干细胞与胚胎干细胞样细胞

近年来,通过培养小鼠精原干细胞(spermatogonial stem cells,SSCs)获得了胚胎干细胞样细胞(,embryonic stem cell-like cells,ES样细胞).这些研究表明小鼠精原干细胞不仅具备特异分化为精子的干细胞潜能,而且具备胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES)分化为三胚层的多向分化潜能.因此.这将有助于研究干细胞的分化调控机制,并且这些研究成果延伸至人类精原干细胞,也将为再生医学获取特殊的胚胎干细胞样细胞或特异分化的精子细胞开辟了蹊径.     

体外受精和孤雌活化过程中小鼠胚胎细胞骨架的动态变化

为研究微管在体外受精与孤雌活化过程中的动态变化,本实验比较了体外受精胚胎、SrCl2激活的孤雌胚胎和体内受精的原核期胚胎在体外发育的情况,采用免疫荧光化学与激光共聚焦显微术检测卵母细胞孤雌活化过程中及体外受精后微管及核的动态变化,以分析微管在减数分裂过程中的作用及其对早期发育的影响.结果显示,体内受精胚胎的发育率显著高于体外受精和孤雌激活胚胎体外发育率(P<0.05),而体外受精与孤雌激活胚胎在各阶段发育率差异均不显著.在体外受精中,精子入卵,激活卵母细胞,减数分裂恢复,纺锤丝牵拉赤道板卜致密排列的母源染色体向纺锤体两侧迁移;后期将染色体拉向两极;末期时,微管分布于两组已去凝集的母源染色体之间,卵母细胞排出第二极体(the second polarbody,Pb2),解聚的母源染色体形成雌原核.同时,在受精后5～8 h精子染色质发生去浓缩与再浓缩,形成雄原核.在原核形成的同时,胞质星体在雌、雄原核的周围重组形成长的微管,负责雌、雄原核的迁移靠近.孤雌活化过程中,卵母细胞恢复减数分裂,姐妹染色单体分离,被拉向两极,经细胞松弛素B处理后,活化4～6 h,卵周隙中未见Pb2,而在胞质中出现两个混合的单倍体原核,之间由微管相连接,负责两个单倍体原核的迁移靠近.与体外受精相比较,孤雌活化时卵母细胞更容易被激活,减数分裂期间微管的发育早且更完善.     

胚胎干细胞研究的“第二战场”

从1981年人类第一次得到小鼠的胚胎干细胞到克隆羊"多莉"的诞生,再到2007年年底猴胚胎的获得,干细胞研究一直在曲折前进。其中伦理问题是胚胎干细胞研究面临的最大阻力。2007年11月20日,《细胞》和《科学》杂志分别发表文章宣布:日本与美国的科学家利用基因改造的手段,将人类体细胞改造成了类胚胎干细胞。这项进步的历史意义是不言而喻的。本文作者采访了此项研究的有关人员,并撰写此文,以飨读者。     

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。     

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。     

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…     

利用CRISPR/Cas9系统在小鼠胚胎干细胞中进行miR-22的功能研究

旨在构造neomycin筛选标记的sgRNA表达载体,并利用CRISPR/Cas9技术构建miR-22缺失的小鼠胚胎干细胞,探究miR-22在小鼠胚胎干细胞中的调控作用。首先通过点突变、搭桥PCR等手段,构造neomycin筛选标记的sgRNA表达载体,并获得靶向敲除miR-22的sgRNA表达载体,电转至稳转Cas9的小鼠胚胎干细胞中;其次经药物筛选、基因型鉴定等步骤筛选miR-22纯合缺失的小鼠胚胎干细胞。RT-qPCR手段证实miR-22在小鼠胚胎干细胞中被成功敲除,纯合突变体的比例约为6.67%。此外,miR-22缺失并未影响胚胎干细胞的细胞形态以及Oct4、Sox2和Nanog等干性基因的表达。因此,miR-22对小鼠胚胎干细胞的干性维持并非必需,而对胚胎干细胞谱系分化和命运决定的影响还有待进一步研究。