單倍體胚胎干細胞自問世以來，為正向遺傳學(xué)篩選提供了非常優(yōu)秀的平臺，被廣泛應(yīng)用于各種病毒受體、藥物靶點、生物發(fā)育現(xiàn)象等關(guān)鍵調(diào)控基因的篩選。然而，其在日常培養(yǎng)和分化過程中，常常會發(fā)生二倍化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其發(fā)揮“基因篩選利器”的功能。如何從根本上抑制二倍化，高效維持單倍體胚胎干細胞的單倍性成為干細胞研究領(lǐng)域的重要課題。
對此，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室?guī)涱I(lǐng)研究員課題組在小鼠單倍體胚胎干細胞中引入外源抗凋亡基因BCL2，成功構(gòu)建了BCL2過表達（BCL2-OE）的小鼠單倍體胚胎干細胞系（haESCs），可以在體內(nèi)外分化等嚴(yán)苛條件下長期維持其單倍性。
【資料圖】
該研究成果不僅進一步證實了抗凋亡可高效抑制單倍體細胞的自發(fā)二倍化，也為推廣單倍體細胞在藥物篩選、細胞分化等方向的靶點篩選提供了堅實基礎(chǔ)，進一步“擦亮”了單倍體細胞這一基因篩選利器。日前，介紹該成果的論文在線發(fā)表于生物學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊《細胞增殖》上。
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BCL2-OE有效維持單倍體細胞在日常培養(yǎng)及體內(nèi)外分化過程中的單倍體性示意圖項目組供圖
據(jù)介紹，真核生物的遺傳信息一半來自于父本，一半來自于母本，這種“雙備份”可以在遺傳過程中抵御不良突變，保障物種繁衍，但是對于遺傳學(xué)研究，尤其是對于隱性遺傳基因功能的探索就十分受限。而只有一套染色體的單倍體細胞由于沒有基因“備份”，人們對任意基因的更改都會直接體現(xiàn)于表型的改變。這對于探索生命現(xiàn)象、破解基因密碼十分有利。
然而，這一類人造純合子的工具細胞，在日常培養(yǎng)或分化過程中傾向于自發(fā)二倍化，進而喪失了單拷貝基因組的優(yōu)勢。因此，在日常培養(yǎng)中，需要不斷通過基于DNA含量的流式分選技術(shù)對單倍體加以富集和維持，極大限制了單倍體細胞更為廣泛的應(yīng)用。研發(fā)有效抑制單倍體細胞二倍化的策略迫在眉睫。
帥領(lǐng)表示：“基于前期的積累和經(jīng)驗，我們發(fā)現(xiàn)細胞凋亡的發(fā)生可能是單倍體細胞發(fā)生二倍化的一個核心因素。因此，我們設(shè)想通過引入外源性的抗凋亡基因BCL2，以期獲得能夠高效維持單倍性的細胞系。”
研究中，帥領(lǐng)課題組對抗凋亡基因——BCL2-OE的haESCs在抗凋亡、基因組穩(wěn)定性和分化發(fā)育潛能等方式進行了全面論證，發(fā)現(xiàn)BCL2-OE可有效提高細胞在多種嚴(yán)苛條件下的抗凋亡和單倍性維持能力，并且不影響其胚胎干細胞增殖分化的潛能。
在此基礎(chǔ)上，研究人員系統(tǒng)比較了BCL2-OE和野生型單倍體胚胎干細胞在日常培養(yǎng)、擬胚體分化、嵌合胚胎和畸胎瘤形成中的單倍體維持能力，發(fā)現(xiàn)與野生型單倍體相比，BCL2-OE可以極大幅度提高其單倍性維持的能力，首次實現(xiàn)在E10.5嵌合胚胎中檢測到很高比例的單倍體細胞貢獻。后期基于轉(zhuǎn)錄組測序的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)BCL2-OE有效激活了透明質(zhì)酸合成酶基因Has2的表達，并通過miR26b-Has2-HA-Caspase調(diào)控途徑提高細胞的抗凋亡能力和單倍性維持能力。在單倍體胚胎干細胞中過表達Has2同樣可以高效維持單倍性。
“這項工作不僅證實了單倍體胚胎干細胞在理論上可以單倍體的形式分化到任意一種細胞類型，也全面推動了單倍體篩選系統(tǒng)在更多種類的細胞類型中進行譜系特異性篩選的發(fā)展?！睅涱I(lǐng)說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/cpr.13498
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