科技日報記者 馬愛平

家畜干細胞在生命科學基礎研究、細胞培養(yǎng)人造肉生產(chǎn)和優(yōu)良品種培育等方面具有巨大應用前景。自1981年小鼠胚胎干細胞 (mESCs)獲得成功以來，國內(nèi)外科學家一直試圖建立穩(wěn)定的、可長期傳代的大家畜胚胎多能干細胞系，但始終未獲得成功。

近日，中國農(nóng)業(yè)大學韓建永教授團隊聯(lián)合國內(nèi)多家單位獲得重大突破，成功建立了目前世界家畜干細胞傳代次數(shù)最多（傳代260次以上）、可進行多次基因編輯操作的豬胚胎干細胞系，攻克了豬胚胎上胚層多能干細胞建系的國際難題。11月30日，該研究成果在線發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《細胞研究》（Cell Research）上。

豬既是重要的家畜，也是重要的實驗動物，在基礎研究、人類疾病模型、異種器官移植等領域用途廣泛。針對家畜胚胎上胚層多能干細胞建系困難，傳代次數(shù)短，難以承受多次基因編輯操作等國際難題，中國農(nóng)業(yè)大學韓建永團隊聯(lián)合四川農(nóng)業(yè)大學、中國科學院動物研究所、中國科學院北京基因研究所、東北農(nóng)業(yè)大學等單位，以豬為模式生物，開展了聯(lián)合科技攻關(guān)，取得家畜胚胎干細胞領域的重大突破。

研究人員從早期胚胎多能性發(fā)育調(diào)控分子機制入手，攻克豬早期胚胎單細胞分離技術(shù), 首次繪制了豬胚胎第0-14天（完整的附植前階段）高質(zhì)量單細胞轉(zhuǎn)錄組圖譜, 解析了豬上胚層多能性狀態(tài) (初始態(tài)、中間態(tài)和激發(fā)態(tài)) 變化及調(diào)控的分子機制；基于單細胞數(shù)據(jù), 創(chuàng)制了豬原腸化前上胚層多能干細胞 (pgEpiSCs) 培養(yǎng)體系, 成功建立15株細胞系, 細胞維持上胚層多能性狀態(tài), 具有典型干細胞特征，最長傳代次數(shù)超過260代，是目前世界上已報道傳代次數(shù)最多的大動物干細胞系。

一次基因操作干細胞克隆小豬

三次連續(xù)基因編輯干細胞克隆小豬

隨后，研究人員對pgEpiSCs進行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學聯(lián)合分析，從三維基因組層面發(fā)現(xiàn)pgEpiSCs具有較強的組織分化能力，鑒定了75個在pgEpiSCs中具有重要功能的轉(zhuǎn)錄因子，為后續(xù)豬多能干細胞調(diào)控機制研究奠定了重要基礎；通過對pgEpiSCs進行3次不同方式基因編輯，包括隨機插入、CRISPR/Cas9介導的定點插入以及單堿基編輯器介導的堿基C到T置換, 并以經(jīng)過三次基因編輯的干細胞系為供體細胞，通過核移植技術(shù)，獲得來源于pgEpiSCs、出生存活的基因編輯克隆豬，解決了家畜干細胞難以承受長周期、多次基因編輯的國際難題。

穩(wěn)定的豬胚胎原腸化前上胚層干細胞系 (pgEpiSCs) 建立及其特征分析

專家介紹，該成果具有廣闊的應用前景：一是在生命科學基礎研究領域，作為一種全新的、穩(wěn)定的豬胚胎多能干細胞系，pgEpiSCs成功建系開創(chuàng)了家畜多能干細胞研究的新方向。二是在細胞培養(yǎng)肉領域，pgEpiSCs可作為未來細胞培養(yǎng)等基于細胞的功能性產(chǎn)品的種子細胞。三是在醫(yī)學模式動物研究領域，pgEpiSCs與基因編輯結(jié)合, 可用于構(gòu)建人類疾病模型或抗病豬模型。四是在家畜優(yōu)良品種培育領域，pgEpiSCs通過定向誘導分化為精子和卵母細胞可以實現(xiàn)干細胞育種。

該研究受到國家重點研發(fā)計劃、高層次人才計劃等項目資助, 中國農(nóng)業(yè)大學生物學院博士生郅明雷、張金穎, 四川農(nóng)業(yè)大學教授唐茜子, 中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院副教授高帥, 中國科學院動物研究所余大為博士為本文共同第一作者, 中國農(nóng)業(yè)大學生物學院韓建永教授, 四川農(nóng)業(yè)大學李明洲教授, 中國科學院北京基因組研究所鄭彩宏博士, 東北農(nóng)業(yè)大學劉忠華教授為本文的共同通訊作者。云南農(nóng)業(yè)大學魏紅江教授和中國科學院動物研究所周琪研究員為資深作者。

（論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41422-021-00592-9）

（中國農(nóng)業(yè)大學供圖）

關(guān)鍵詞： 干細胞 胚胎 重大突破