培育单倍体干细胞 找寻生命树成长“钥匙”

胎盘是维持胎儿生命的重要器官，被誉为“生命树”。日前，南开大学药物化学生物学国家重点实验室帅领研究团队利用可诱导过表达转录因子CDX2的方式在体外获得单倍体滋养层干细胞，该新型单倍体干细胞只有一套基因组，可在体外无限增殖并具备分化成为胎盘谱系各种细胞的潜能。因此该研究犹如找到了生命树成长发育的“钥匙”，为胎盘发育、功能分析及胎盘疾病的致病机制研究提供了理想的体外模型，相关论文发表于细胞出版社旗下《整合科学》杂志。
单倍体细胞没有基因“备份”
“真核生物的遗传信息一半来自于父本一半来自于母本，因此自然情况下细胞中具有两套染色体，这也是哺乳动物传递遗传信息的方式，并通过减数分裂的方式抵御环境变迁，保障物种繁衍。但是对于遗传学研究尤其是隐性遗传基因功能的探索，二倍体细胞往往由于存在等位基因而受限。”帅领教授向科技日报记者介绍说，“两套染色体相当于‘双保险’，如果对其中一个基因进行调控，由于存在对应的等位基因‘备份’，使得被改变的基因不能立刻突显功能。然而，只有一套染色体的单倍体细胞，没有基因‘备份’，我们对任意基因的更改，都会瞬间带来表型的改变。这对于我们探索生命现象、破解基因密码十分有利。”
据帅领介绍，自2011年以来，小鼠和人类等哺乳类的单倍体胚胎干细胞系相继被顶级科技期刊报道过，然而，对于胎盘发育格外重要的胚外谱系的单倍体细胞系目前尚无报道。“我们这次实验是用小鼠完成的。”论文第一作者、南开大学药学院博士彭柯力介绍说，小鼠胚胎发育到桑椹胚后，桑椹胚进一步发育，细胞发生第一次命运决定，分化为两类细胞。聚集于胚胎一端且处于内部的个体较大的细胞群，称为内细胞团(简称ICM)，其具有发育全能性，能够发育成胎儿的各种组织;而沿着透明带内壁扩展和排列的细胞群称为滋养层外胚层(简称TE)，未来发育成胎膜和胎盘组织。
在适宜的体外培养条件下，可以分别从囊胚中的ICM和TE分离并建立胚胎干细胞(简称ESCs)细胞系与滋养层干细胞(简称TSCs)细胞系。”彭柯力解释道，在适宜的体外培养条件下，ESCs能够维持自我更新，保持无限增殖并且不分化的状态，同时保留分化为三胚层的发育潜能;同样的，在适宜条件下，TSCs也能够维持自我更新，保持无限增殖的能力，并且保留分化为滋养层谱系所有类型细胞的潜能，可以研究胚外组织发育生命现象。
胎盘遗传学研究的理想体外模型
与ESCs不同，TSCs能够分化为胎盘中不同类型的滋养层细胞，是胎盘遗传学研究的理想体外模型。但是，目前对TSCs的双等位基因编辑效率较低，这大大限制了其应用。
帅领团队发现，转录因子CDX2的可诱导化过表达可以将单倍体ESCs转化为TSCs。然而，所有单倍体细胞培养物都倾向于加倍回到二倍体，如何抑制单倍体细胞的“自发二倍化”成为工作难点。
“我们通过敲除基因组中的p53基因解决了这一问题，确保了单倍体TSCs在长期体外培养过程中维持单倍性，凸显了其在胚外组织中的遗传学筛选研究优势。”帅领说。
据介绍，这次获得的单倍体TSCs不仅可以在体外分化成胎盘谱系的多种细胞，也能在体内模拟胎盘发育(产生出血灶)。
为了验证单倍体TSCs“基因筛选利器”的判断，帅领团队借助转座子系统高效引入基因突变，并成功筛选出了海绵滋养层细胞的限制基因——HTRA1。“正常的单倍体TSCs可以分化为出血灶、合胞体滋养层、海绵滋养层、滋养层巨细胞等。HTRA1相当于一个‘闸门’，敲除它使得滋养层干细胞更多地定向分化到海绵滋养层，大幅度提高海绵滋养层的分化效率。”
与帅领团队论文发表同一天，中科院动物研究所周琪院士、李伟研究员团队还于《细胞报告》在线发表研究论文，也从发育能力到组学等多方面论证了单倍体滋养层干细胞是一类真正的具有胚外发育潜能的单倍体细胞系。“未来，我们或许也可以利用单倍体滋养层干细胞找到影响胎盘发育或者导致胎盘疾病发生的药物作用靶点，从而更好地促进胎盘正常发育。”帅领说。