單倍體胚胎干細胞簡介及研究進展

◎羅擁政 姚明秀 陳佳慧

單倍體胚胎干細胞簡介及研究進展

◎羅擁政 姚明秀 陳佳慧

單倍體胚胎干細胞只含有一套染色體，和二倍體相比，前者更加適合對生物體的隱性形狀進行研究。近年來單倍體胚胎干細胞技術(shù)取得了很大突破與進展，包括哺乳動物單倍體胚胎干細胞的獲得以及孤雌和孤雄單倍體胚胎干細胞系的建立。單倍體胚胎干細胞的研究在分子、細胞和個體水平上都有相關(guān)應(yīng)用，在批量生產(chǎn)嵌合體動物、大規(guī)模繁育良種動物、治療人類生殖或遺傳疾病等方面前景良好。

近年來，單倍體胚胎干細胞(haploid embryonic stem cells, haESCs)的研究得到了非常廣泛的關(guān)注。單倍體胚胎干細胞是指只含有一套染色體，但其克隆形態(tài)、分化潛能等與正常二倍體干細胞相似。根據(jù)誘發(fā)方式不同，分為孤雌單倍體胚胎干細胞（parthenogenetic haploid embryonic stem cells, PG-haESCs）和孤雄單倍體胚胎干細胞（androgenetic haploid embryonic stem cells, AG-haESCs）兩種類型。和二倍體干細胞相比，前者更適合對生物體的隱性形狀進行研究。HaESCs的研究有利于全面開展藥物研發(fā)工作，同時利用建立模型調(diào)控生殖與發(fā)育過程等，因此在生物發(fā)育、輔助生殖、藥物研發(fā)等研究中具有重要的應(yīng)用價值。本文就HaESCs技術(shù)的突破與進展、研究應(yīng)用及展望加以綜述。

單倍體胚胎干細胞技術(shù)突破與進展

HaESCs的研究始于20世紀80年代，Kaufman等人順利獲得小鼠胚胎干細胞系之后，又嘗試獲得HaESCs，但是培育出的胚胎干細胞系都表現(xiàn)出了二倍體核型。

2009年新加坡國立大學(xué)的Yi等以青鳉魚作為模式動物，構(gòu)建了青鳉魚的HaESCs細胞系，并將HaESCs的細胞核成功移植到未受精的卵細胞中，培育出的后代全部存活。這項研究不僅證明了脊椎動物可以在體外條件下培育單倍體細胞，也證實了青鳉魚的HaESCs細胞系能夠很好的進行嵌合生殖。

2011年Leeb等通過特殊處理的培養(yǎng)液對激活后的孤雌卵母細胞進行培育，進一步建立了基于哺乳動物的PG-haESCs細胞系，第一次培育出了有關(guān)哺乳動物的HaESCs，最大程度促進了哺乳動物HaESCs的全面研究。

2012年Yang等選擇在小鼠精子頭部注入去核卵母細胞，從而獲得了人造精子，同時結(jié)合流式細胞技術(shù)科學(xué)創(chuàng)建了源自小鼠的AG-haESCs細胞系，并表明該細胞系可以嵌合生殖系系并順利培育出后代。

單倍體胚胎干細胞的研究應(yīng)用

分子水平上的應(yīng)用。HaESCs的最大優(yōu)勢是可以大范圍篩選隱性基因，在正反向遺傳學(xué)的研究中起到了重要作用，可以通過基因打靶、CRISPR-Cas9技術(shù)等方式敲除或敲入基因，讓部分基因功能缺失，或通過化學(xué)誘導(dǎo)對目的基因進行改造，通過表型改變來研究目的基因的功能和作用。也可建立關(guān)于HaESCs突變的數(shù)據(jù)庫，在科學(xué)篩選正向遺傳的過程中，在突變庫中利用體外間接或直接表型選取陽性克隆，同時進行測序，從而順利得到目的基因。

細胞水平上的應(yīng)用。HaESCs利于形成相對穩(wěn)定的細胞水平，同時可對基因進行修飾。研究者在經(jīng)過基因修飾的單倍體細胞中借助于單精子胞漿內(nèi)注射技術(shù)，成功注入卵母細胞或者囊胚中（類似于人工受精技術(shù)），將基因直接遺傳給后代，最大程度保證了基因修飾效果。研究表明，即使進行過基因操作，大鼠HaESCs仍能維持單倍體及多能性的特點。

生物個體水平上的應(yīng)用。可以通過遺傳篩選技術(shù)利用HaESCs建立動物模型，結(jié)合動物個體水平對基因作用積極分析。W.Li等驗證了AG-haESCs成功注射卵母細胞，小鼠可以自然分娩獲得F1代，還可借助孤雄細胞的靶位基因得到相應(yīng)的攜帶源。

HaESCs還可用于輔助個體生殖。卵巢或卵細胞的功能異常是導(dǎo)致生殖障礙的主要原因之一，HaESCs在功能上可替代配子，通過胞質(zhì)注射等方式獲得受精卵，并產(chǎn)生可育的后代。對于卵巢囊腫或其他原因無法提供高質(zhì)量卵細胞的女性患者，可利用PG-haESCs為她們保留生殖功能提供可能。

單倍體胚胎干細胞研究展望

批量生產(chǎn)嵌合體動物。一些物種具備傳統(tǒng)形式的胚胎干細胞卻無法產(chǎn)生嵌合體，導(dǎo)致無法得到基因變異的動物，而在其卵母細胞中注入AG-haESCs就能獲得。在制備大型動物嵌合體的過程中一般只能借助多世代多次交配繁育，且困難重重。相反，AG-haESCs能夠憑借有限的育種次數(shù)傳遞有關(guān)的遺傳數(shù)據(jù)，近半數(shù)的后代都可以攜帶以上遺傳信息，這樣F1代嵌合體的產(chǎn)生速度將大大加快，有利于科學(xué)調(diào)整生殖機理。

大規(guī)模繁育良種動物。在體外哺乳動物遺傳培育生殖細胞系中可以推廣應(yīng)用HaESCs，一方面可以解決由于運輸困難影響生殖細胞成活的問題，另一方面利用大規(guī)模的細胞產(chǎn)量達到生產(chǎn)育種要求，簡化了多次傳代的工作，對大規(guī)模繁育良種動物的遺傳優(yōu)勢進行了最大程度的應(yīng)用，從而建立科學(xué)的動物生殖新技術(shù)系統(tǒng)。

治療人類生殖或遺傳疾病。在對生殖疾病或疾病治療與檢測的過程中，人類生殖細胞通過個人或群體HaESCs細胞系的建立可以形成不會損害受精卵的實體，有效避免了對人體的損傷，提高了治療的成功幾率。HaESCs具備的篩選隱性基因優(yōu)勢有機融合細胞新技術(shù)分析，對于建立模型調(diào)控生殖與發(fā)育過程以及醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展等都將會發(fā)揮極大的推動作用。

（作者單位：南京大學(xué)金陵學(xué)院）