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，被称为“生命树”。几天前，南开大学药物化学与生物学国家重点实验室的科研团队通过诱导转录因子CDX2的过表达，在体外获得了单倍体滋养层干细胞。新的单倍体干细胞只有一套基因组，可以在体外无限增殖，并有可能分化成胎盘谱系的各种细胞。因此，本研究就像找到了生命之树生长发育的“钥匙”，为胎盘发育、功能分析和胎盘疾病发病机制的研究提供了一个理想的体外模型。相关论文发表在细胞出版社的综合科学杂志上。

单倍体细胞没有基因“备份”

“真核生物一半的遗传信息来自雄性亲本，一半来自雌性亲本，因此它们的细胞中自然有两组染色体，这也是哺乳动物通过减数分裂传递遗传信息和抵抗环境变化以确保物种繁殖的方式。然而，在遗传学研究中，二倍体细胞经常受到等位基因存在的限制，特别是在隐性遗传功能的探索中。凌帅教授告诉《科技日报》记者，“两套染色体相当于‘双重保险’。如果其中一个基因受到调控，因为有相应的等位基因“备份”，被改变的基因不能立即突出其功能。然而，只有一组染色体的单倍体细胞没有基因“备份”，我们对任何基因所做的任何改变都会立即导致表型变化。这对我们探索生命现象和破解基因密码非常有益。”

据凌帅介绍，自2011年以来，哺乳动物(如小鼠和人类)的单倍体胚胎干细胞系已在*科学期刊上发表。然而，对胎盘发育特别重要的胚外谱系单倍体细胞系尚未有报道。"我们用老鼠做了这个实验。"该论文第一作者、南开大学药学院博士彭克礼说，小鼠胚胎发育成桑椹胚后，桑椹胚进一步发育，细胞的发生第一次由它的命运决定，并分化成两种类型的细胞。聚集在胚胎一端并位于其中的较大的个体细胞群称为内细胞群(ICM)，它具有发育全能性并能发育成胎儿的各种组织。沿着透明带内壁延伸和排列的细胞群被称为滋养层外胚层(TE)，它将来会发育成胎膜和胎盘组织。

在合适的体外培养条件下，胚胎干细胞系和滋养层干细胞系可以分别从胚泡中的胚胎干细胞系和滋养层干细胞系中分离和建立。彭克礼解释说，胚胎干细胞可以保持自我更新、无限增殖和不分化，同时在合适的体外培养条件下保持分化为三个胚层的发展潜力。同样，干细胞在适当的条件下可以保持自我更新和无限增殖，并保留分化为滋养层谱系所有类型细胞的潜力，这可以研究胚胎外组织发育的生命现象。

胎盘遗传学研究的理想体外模型

与胚胎干细胞不同，胚胎干细胞可以分化成不同类型的胎盘滋养层细胞，是胎盘遗传学研究的理想体外模型。然而，目前TSCs双等位基因的编辑效率相对较低，极大地限制了其应用。

景帅团队发现，转录因子CDX2的诱导性过表达可以将单倍体胚胎干细胞转化为干细胞。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“自发加倍”已成为一项艰巨的任务。

“我们通过剔除基因组中的p53基因解决了这个问题，确保单倍体干细胞在长期体外培养中保持单倍体，突出了其在胚胎外组织遗传筛选研究中的优势。”帅领说。

据介绍，这次获得的单倍体造血干细胞不仅能在体外分化成多种胎盘谱系细胞，而且能在体内模拟胎盘发育(产生出血灶)。

为了验证单倍体TSCs“基因筛选工具”的判断，帅岭团队利用转座子系统高效引入基因突变，成功筛选出海绵滋养层细胞的限制性基因HTRA 1号。“正常单倍体造血干细胞可分化为出血灶、合胞滋养层、海绵状滋养层、滋养层巨细胞等。HTRA1相当于一个“门”，敲开它可以使滋养层干细胞更定向地分化为海绵状滋养层，并大大提高海绵状滋养层的分化效率。”

在凌帅论文发表的同一天，中国科学院动物研究所的周琦院士和李伟研究员也在《细胞报告》在线发表了他们的研究论文。他们还证明了单倍体滋养层干细胞是一种单倍体细胞系，从发育能力到组织学方面都具有胚胎外发育的真正潜力。“将来，我们还可能利用单倍体滋养层干细胞来寻找影响胎盘发育或导致胎盘疾病的药物靶点，从而更好地促进胎盘的正常发育。”帅领说。