繞開生殖隔離：創(chuàng)造哺乳動物異種雜合二倍體胚胎干細胞.docxVIP

1、姍螂岫岫珈瞬椰中國科學院動物研究所研究員李偉中國科學院動物研究所博士后王加強中國科學院院士、中國科學院動物研究所所長周琪近35億年前地球上出現(xiàn)了生命。時間推移，生命在不斷發(fā)展演化，演化出形形色色、千奇百怪的物種。隨著基礎生物學的發(fā)展，我們認識了遺傳物質(zhì)，認識了基因組和基因。物種多樣性形成的一個重要原因是千變?nèi)f化的基因組，以及錯綜復雜的基因調(diào)控。想要探尋生命的本質(zhì)，理解不同物種的基因組及其調(diào)控差異是生物學研究要解決的最根本問題之一。調(diào)控基因獲得雜交遺傳優(yōu)勢物種間雜交是研究這一問題的重要模型，在進化生物學、發(fā)育生物學和遺傳學中應用廣泛?！半s交優(yōu)勢”是一個廣為人知的概念：袁隆平利用“雜交優(yōu)勢”培育出

2、更具優(yōu)良性狀的水稻，極大地推動r農(nóng)業(yè)育種的發(fā)展，為糧食持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)作出了卓越貢獻；馬和驢雜交產(chǎn)生的騾子繼承了馬和驢的優(yōu)勢，同時具有更好的耐力，是民間重要的畜力來源。物種間雜交個體之所以具有獨特的生物學性狀（如雜交水稻高產(chǎn)耐旱，騾子耐力強等），是因為他們具有獨特的雜合遺傳背景。因而雜交個體也成為研究物種形成、基因調(diào)控進化和x染色體失活等重要生命科學問題的重要模型。同時，隨著再生醫(yī)學的發(fā)展，異種器官再生成為一個重要研究方向。科學家們正在緊鑼密鼓地研究如何利用人干細胞系及器官缺陷的小型豬等受體生產(chǎn)人類器官。物種間的差異、物種的進化、物種間基因調(diào)控的進化等科學問題，是這條再生之路再造人體器官的阻礙，因

3、此我們急切地想要破解物種間，尤其是哺乳動物物種間基因組差異及調(diào)控差異的本質(zhì)。在漫長的進化過程中，不同物種之間獨立進圖|大鼠與小鼠間的生殖瞬離化，出現(xiàn)了生殖隔離。從環(huán)境角度看，兩個物種不能交配是因為存在地理隔離、生態(tài)隔離、季節(jié)隔離、生理隔離、形態(tài)隔離和行為隔離等，但當科學家們將不同物種共同飼養(yǎng)時，才發(fā)現(xiàn)生殖隔離是基因組在進化上的差異造成的。最常見的是精子與卵子相互不能識別，因此無法完成受精，即使通過單精子卵胞質(zhì)注射技術輔助，進成果I入卵子的精子也是“對面無緣不相逢”，不能啟動有效發(fā)育。比如實驗室鐘愛的模式動物大鼠和小鼠，無法自然交配、人工輔助受精后發(fā)育阻滯于2-細胞階段、將大鼠的基因組轉(zhuǎn)移到去核

4、或不去核的小鼠受精卵中均不能完成早期發(fā)育（見圖1）。種間雜交在少數(shù)近親物種間是有概率發(fā)生的，比如馬和驢雜交產(chǎn)生騾子，獅子和老虎雜交產(chǎn)生獅虎獸等。但生殖隔離依然存在，因為存在雜種不活、雜種不育和雜種衰敗等現(xiàn)象?？茖W家們?yōu)榱松飳W研究的便利，創(chuàng)造出各類遠親物種間的雜合細胞，如小鼠一大鼠、人一嚙齒類、人一牛等雜交細胞，將物種進化的研究“轉(zhuǎn)移”到培養(yǎng)皿里。但是，由于這些細胞都是由兩個體細胞經(jīng)過細胞融合產(chǎn)生的，因而都是四倍體的，表現(xiàn)出基因組不穩(wěn)定的現(xiàn)象，往往出現(xiàn)大量的染色體丟失。另外，這些融合細胞由于染色體不兼容，復制和分化都出現(xiàn)了極大的問題，因此并不能很好開展基因組進化相關研究。另辟蹊徑創(chuàng)造二倍體雜合

5、細月既然哺乳動物細胞對外源染色體產(chǎn)生嚴重排斥，那么僅僅攜帶一條外源染色體能不能被接納呢？研究表明，將人的一條21號染色體導入小鼠是可行的，科學家們獲得了這種“21三體”小鼠模型。雖然只有一條外源染色體，但通過對這條人源染色體的基因表達調(diào)控的研究，科學家們初步探索了基因表達調(diào)控的進化規(guī)律。既然哺乳動物細胞對染色體倍性容忍度很差，不像植物細胞那樣耐受多倍體（如小麥是六倍體，無籽西瓜是三倍體等），那么，能否繞開生殖隔離的屏障，創(chuàng)造出哺乳動物遠親物種間的二倍體雜合細胞呢？中國科學院動物研究所周琪和李偉課題組合作，首次開發(fā)了新的途徑實現(xiàn)了這一想法。二倍體倍性是有性生殖的結(jié)果：精子一套染色體，加卵子一套染

6、色體，構(gòu)成了后代細胞的二倍體倍性。要想獲得不同物種融合的雜合二倍體只需兩步，第一步是獲得不同物種來源的單倍體細胞，第二步是通過細胞融合獲得二倍體雜合細胞。周琪和李偉課題組首先通過哺乳動物單倍體Studyofspecies>specificphonotypesapecie?rbiascdphenotypeinAdESC«DifferentialgrwregulationbetweenMpccion圖2通過將單倍偷胚胎干細胞融合而產(chǎn)生大一小鼠異種雜合二倍偷胚胎干細胞的流程和研究示意圖胚胎干細胞技術，獲得了只含有一套染色體的單倍體胚胎干細胞，包括4種細胞系：小鼠或大鼠的孤雌單倍體胚胎

7、干細胞（卵子來源）以及小鼠或大鼠的孤雄單倍體胚胎干細胞（精子來源）。然后利用孤雄單倍體干細胞可以替代精子、孤雌單倍體干細胞可以替代卵子的特征，通過細胞融合技術將小鼠孤雄（雌）和大鼠孤雌（雄）單倍體干細胞融合，從而繞開了小鼠和大鼠的精卵融合后無法啟動受精及發(fā)育的生殖隔離障礙，獲得了異種雜合二倍體胚胎干細胞（見圖2）。該技術創(chuàng)造性地突破了生殖隔離所導致的遠親物種間無法獲得二倍體細胞的障礙，所獲得的二倍體細胞系不僅解決了倍性問題，而且由于其含有全套的大鼠和全套的小鼠染色體，成為研究基因組進化、基因組調(diào)控進化、異種基因組進化等前沿生命科學問題的利器。周琪和李偉課題組對這類異種雜合二倍體細胞系進行了分析

8、。研究表明，其具有胚胎干細胞的多能性特征：堿性磷酸酶染色呈陽性；高表達OCT4.SOX2等多能性核心基因；畸胎瘤具有三胚層分化能力；二倍體嵌合可以參與全身各個器官的發(fā)生，并發(fā)育為各種終末分化的體細胞;二倍體嵌合可以參與到生殖系發(fā)育，甚至能夠分化形成早期的生殖細胞。該雜交細胞在培養(yǎng)和分化過程中保持異種二倍體基因組的穩(wěn)定性，染色體個數(shù)不變，目.不會發(fā)生染色體片段缺失、增加、倒位、異位等畸變。對大鼠一小鼠二倍體雜交細胞進行了深入的基因表達分析表明，這種異種雜合二倍體細胞展現(xiàn)出“高親”“低親”“超高親”“超低親”等獨特的基因表達模式。對其多能性性狀進行分析，發(fā)現(xiàn)其適應培養(yǎng)基的細胞表現(xiàn)更偏向小鼠胚胎細胞

9、，但也具右大鼠胚胎細胞易于分化的特點，這種獨特的融合表型，正是-種“雜交優(yōu)勢”的體現(xiàn)，這表明，這類新型的細胞是研究物種進化機制的獨特模型，開啟廣'培養(yǎng)1111內(nèi)”研究哺乳動物物種進化的新模式。通過該“培養(yǎng)皿內(nèi)”的異種雜合細胞模型，周琪和李偉課題組對多能性性狀進行了深入研究，利用轉(zhuǎn)錄組高通代測序分析，高效地挖掘出了物種間多能性性狀差異的部分分子調(diào)控機制，這對提仰出他物種胚胎F細胞的多能性具有深刻地借鑒意義。此外，研究組對該雜交細胞內(nèi)的x染色體失活現(xiàn)象進行r分析，發(fā)現(xiàn)其x染色體失活并不采用哺乳動物常見的“隨機失活”模式，而是采用小鼠X染色體特異失活的模式。研究組利用“雜交優(yōu)勢”理論分析出一

10、系列靶基因，為哺乳動物X染色體失活研究另辟蹊徑。同時他們利用小鼠x染色體特異失活這一特性，系統(tǒng)地鑒定了小鼠x染色體失活逃逸基因，揭示Kx染色體失活和失活逃逸的新方式和新機制。相關成果于2016年在國際期刊CelLh發(fā)表。這項成果是世界首例人創(chuàng)建的、以穩(wěn)定二倍體形式存在的含有大鼠和小鼠兩個物種全:套染色體的異種雜合胚胎細胞。同時該研究建立了一種新方法，能夠創(chuàng)造出全新的哺乳動物細胞類型哺乳動物異種雜合二倍體F細胞。這極大地推動r遺傳和物種進化研究在哺乳動物水平開展，而不再局限于植物及低等動物。大鼠一小鼠二倍體雜交細胞是“培養(yǎng)皿內(nèi)“物種進化研究的新模型，可以高效地在細胞水平、基因水平、基因表達調(diào)控水平上進行物種比較進化研究，同時為研究異種基因組的調(diào)控差異和兼容性提供了新的途徑，也為發(fā)育生物學和遺傳學等研究提供K全新的模型和發(fā)現(xiàn)基礎。隨著Hi-C等三維基因組技術的發(fā)展，大鼠小鼠二倍體雜交細胞更顯獨特魅力：大鼠和小鼠在基因水平既同源性很仰J，乂含有足以區(qū)分來源的SNP位點，因此是研究同源基因間的空間£作及調(diào)控用作的絕佳材料，也使得深入驗證順反式基因表達調(diào)控模型成為可能。可以預見,這類新技術和新的細胞類型的建立,將在術來催生出更多的生物學新發(fā)現(xiàn)。I作者簡介I周琪，中國科學院院士，中國科學院動物研究所研究員、所長，中國科學院干