單倍體胚胎干細胞與轉基因動物

毛伊幻+周琪

近年來，干細胞領域的發展方興未艾。目前，已能從小鼠、大鼠、猴以及人的早期胚胎分離、培養、獲得胚胎干細胞。與大多數哺乳動物的體細胞一樣，胚胎干細胞也含有兩套染色體，即二倍體。而哺乳動物的精子和卵細胞，以及一些植物的細胞里則只含有一套染色體，因此稱為單倍體細胞。相較于二倍體，單倍體細胞更易用于對生物體的隱性形狀進行遺傳學研究，在水稻的遺傳育種研究方面發揮了重大作用。

那么，有沒有可能制造出單倍體胚胎干細胞呢？科學家們想出了非常巧妙的辦法。他們把精子注射到去除了細胞核的卵母細胞中，或者把原核期受精卵的雌原核去除，再把這樣的細胞體外培養到囊胚期，由此能獲得“孤雄單倍體胚胎干細胞”。類似地，去除原核期受精卵的雄原核，或者孤雌激活卵母細胞，再將細胞體外培養至囊胚，則能獲得“孤雌單倍體胚胎干細胞”。經檢測驗證，這些單倍體干細胞既保持了普通胚胎干細胞的特點，又同精子或卵細胞一樣只有一套染色體，而不是像普通二倍體胚胎干細胞那樣有兩套。

獲得基因修飾動物

為了檢測單倍體胚胎干細胞的功能，科學家們將孤雄單倍體干細胞注射到卵母細胞中，驚奇地發現，它能夠成功替代精子完成使卵受精的使命，所得胚胎能正常發育至成年并具有生育能力。進一步，科學家們對這種孤雄單倍體胚胎干細胞進行了特定的基因修飾，并注射進卵母細胞得到后代，這樣出生的小鼠直接攜帶了這種修飾后的基因序列，從而方便地獲得了基因修飾動物。利用單倍體胚胎干細胞獲得基因修飾動物，為一些其胚胎干細胞不能嵌合到生殖系的物種，例如非人靈長類等，提供了新型的獲得基因修飾動物模型的方法。

進行同性生殖

由于在哺乳動物中進化出了基因組印記調控，哺乳動物無法實現同性生殖。而利用單倍體胚胎干細胞技術，小鼠的同性生殖已經成為了現實。科學家們利用新型的基因編輯技術CRISPR-Cas9系統改變了孤雌單倍體干細胞中稱為H19和Gtl2的兩個非常重要的印記基因區域，將原本的雌性印記逆轉為了雄性印記。然后將這種逆轉后的孤雌單倍體干細胞替代精子，注射進卵母細胞，獲得了遺傳物質來自于兩個雌性親本的后代小鼠。這一技術將加速人們對于基因組印記機制的研究，也會給生殖方式帶來新的認知。

研究物種間雜交

物種之間存在生殖隔離，一直以來，科學家都想獲得分別來源于兩個物種全套遺傳物質的穩定細胞系。而最近，科學家利用單倍體干細胞技術，將這一想法變為現實。他們將大鼠和小鼠的單倍體胚胎干細胞進行細胞融合，創造出了大小鼠異種雜合二倍體胚胎干細胞，這種細胞含有一套大鼠染色體和一套小鼠染色體。他們通過測序方法統計出大部分基因的表達量是小鼠和大鼠各貢獻一半。這一研究建立了新型的哺乳動物胚胎干細胞，為研究物種間性狀差異，物種間基因、RNA和蛋白質之間相互作用提供了非常好的工具。

展望

隨著單倍體干細胞研究的深入與完善，將有可能建立新型的輔助生殖技術，為一些生殖系統疾病提供一種新的治療手段。而通過基因編輯技術對單倍體胚胎干細胞進行基因編輯，進而獲得基因編輯動物，也將加速人們對基因功能和疾病的研究。在未來，我們期待基于單倍體胚胎干細胞與基因編輯技術給生命科學領域帶來更多的突破。