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國內首次從小鼠之外哺乳動物中獲得具有發育功能單倍體胚胎干細胞系


國內首次從小鼠之外哺乳動物中獲得具有發育功能單倍體胚胎干細胞系
摘要:
中國科學院動物研究所研究員周琪帶領的研究團隊首次從小鼠之外的哺乳動物中獲得了具有發育功能的單倍體胚胎干細胞系,而且首次利用CRISPR-Cas技術完成對大鼠單倍體胚胎干細胞的多基因敲除,為建立用于大規模基因篩選的純合的基因突變細胞庫打下基礎。相關文章發表于2013年12月19日的《Cell Stem Cell》雜志上。
單倍體胚胎干細胞同時具有單倍體細胞和胚胎干細胞的特性,由于其只含有一套染色體,不存在等位基因在基因功能上的補償作用,因此是研究隱性基因功能的理想模型。同時,其胚胎干細胞的特性又可以將基因修飾直接遺傳給后代,從而避免了其他轉基因方法種系嵌合等方面的要求,可以極大提高基因修飾的效率及應用范圍。
在*新發表的研究中,該團隊成功地建立了大鼠的單倍體胚胎干細胞系,并證明大鼠單倍體胚胎干細胞在長期培養過程中仍可維持單倍性和多能性。進一步研究證明,針對大鼠單倍體胚胎干細胞進行大規模隨機突變,可以快速地建立涵蓋整個基因組的基因突變細胞庫,從而為大規模基因篩選提供了基礎。
利用基因定點修飾技術CRISPR-Cas系統,可快速高效地在單倍體干細胞上進行**定位的基因修飾或敲除,并且處理后的細胞仍能維持單倍體和多能性狀態。尤為重要的是,該工作證明了大鼠單倍體胚胎干細胞同樣具有替代精子與卵母細胞“受精”并產生健康大鼠的能力。
通過種系嵌合和替代精子進行卵胞質注射兩種途徑,該團隊都成功獲得了健康的攜帶基因修飾的大鼠,從而證明大鼠孤雄單倍體胚胎干細胞可以將基因修飾快速地遺傳給后代,為研究基因功能提供了便利。
周琪帶領的研究團隊之前曾先后在Nature等雜志報道建立有功能的小鼠孤雄與孤雌來源的單倍體胚胎干細胞系,并證實這些干細胞可以替代精子或卵子完成受精和胚胎發育,產生健康的小鼠,從而實現遺傳物質從細胞到個體水平上的傳遞。
此次的研究成果首次從小鼠之外的哺乳動物中獲得了具有發育功能的單倍體胚胎干細胞系,而且首次利用CRISPR-Cas技術完成對大鼠單倍體胚胎干細胞的多基因敲除,為建立用于大規模基因篩選的純合的基因突變細胞庫打下基礎。鑒于大鼠在生理上比小鼠更類似于人類,這一工作將對人類**模型研發和開展基因功能研究起到重要的推動作用。
該研究得到了中科院干細胞與再生醫學戰略性科技先導專項、科技部重大科學研究計劃和國家自然科學基金委的支持。
原文摘要:
Genetic Modification and Screening in Rat Using Haploid Embryonic Stem Cells
Wei Li,Xin Li,Tianda Li,Ming-Gui Jiang,Haifeng Wan,Guan-Zheng Luo,Chunjing Feng,Xiaolong Cui,Fei Teng,Yan Yuan,Quan Zhou,Qi Gu,Ling Shuai,Jiahao Sha,Yamei Xiao,Liu Wang,Zhonghua Liu,Xiu-Jie Wang,Xiao-Yang Zhao,Qi Zhou
The rat is an important animal model in biomedical research, but practical limitations to genetic manipulation have restricted the application of genetic analysis. Here we report the derivation of rat androgenetic haploid embryonic stem cells (RahESCs) as a tool to facilitate such studies. Our approach is based on removal of the maternal pronucleus from zygotes to generate androgenetic embryos followed by derivation of ESCs. The resulting RahESCs have 21 chromosomes, express pluripotency markers, differentiate into three germ layer cells, and contribute to the germline. Homozygous mutations can be introduced by both large-scale gene trapping and precise gene targeting via homologous recombination or the CRISPR-Cas system. RahESCs can also produce fertile rats after intracytoplasmic injection into oocytes and are therefore able to transmit genetic modifications to offspring. Overall, RahESCs represent a practical tool for functional genetic studies and production of transgenic lines in rat.
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