單倍體胚胎干細(xì)胞簡介及研究進(jìn)展

◎羅擁政 姚明秀 陳佳慧

單倍體胚胎干細(xì)胞簡介及研究進(jìn)展

◎羅擁政 姚明秀 陳佳慧

單倍體胚胎干細(xì)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(jìn)行研究。近年來單倍體胚胎干細(xì)胞技術(shù)取得了很大突破與進(jìn)展，包括哺乳動物單倍體胚胎干細(xì)胞的獲得以及孤雌和孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞系的建立。單倍體胚胎干細(xì)胞的研究在分子、細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞相似。根據(jù)誘發(fā)方式不同，分為孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞（parthenogenetic haploid embryonic stem cells, PG-haESCs）和孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞（androgenetic haploid embryonic stem cells, AG-haESCs）兩種類型。和二倍體干細(xì)胞相比，前者更適合對生物體的隱性形狀進(jìn)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(jìn)展、研究應(yīng)用及展望加以綜述。

單倍體胚胎干細(xì)胞技術(shù)突破與進(jìn)展

HaESCs的研究始于20世紀(jì)80年代，Kaufman等人順利獲得小鼠胚胎干細(xì)胞系之后，又嘗試獲得HaESCs，但是培育出的胚胎干細(xì)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(xì)胞系，并將HaESCs的細(xì)胞核成功移植到未受精的卵細(xì)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(xì)胞，也證實了青鳉魚的HaESCs細(xì)胞系能夠很好的進(jìn)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(xì)胞進(jìn)行培育，進(jìn)一步建立了基于哺乳動物的PG-haESCs細(xì)胞系，第一次培育出了有關(guān)哺乳動物的HaESCs，最大程度促進(jìn)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(xì)胞，從而獲得了人造精子，同時結(jié)合流式細(xì)胞技術(shù)科學(xué)創(chuàng)建了源自小鼠的AG-haESCs細(xì)胞系，并表明該細(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)行測序，從而順利得到目的基因。

細(xì)胞水平上的應(yīng)用。HaESCs利于形成相對穩(wěn)定的細(xì)胞水平，同時可對基因進(jìn)行修飾。研究者在經(jīng)過基因修飾的單倍體細(xì)胞中借助于單精子胞漿內(nèi)注射技術(shù)，成功注入卵母細(xì)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(jìn)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(xì)胞，小鼠可以自然分娩獲得F1代，還可借助孤雄細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(jī)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(xì)胞系中可以推廣應(yīng)用HaESCs，一方面可以解決由于運(yùn)輸困難影響生殖細(xì)胞成活的問題，另一方面利用大規(guī)模的細(xì)胞產(chǎn)量達(dá)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(jìn)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(xì)胞通過個人或群體HaESCs細(xì)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(jī)融合細(xì)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）