胎盤(pán)是維持胎兒生命的重要器官，被譽(yù)為“生命樹(shù)”。日前，南開(kāi)大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室帥領(lǐng)研究團隊利用可誘導過(guò)表達轉錄因子CDX2的方式在體外獲得單倍體滋養層干細胞，該新型單倍體干細胞只有一套基因組，可在體外無(wú)限增殖并具備分化成為胎盤(pán)譜系各種細胞的潛能。因此該研究猶如找到了生命樹(shù)成長(cháng)發(fā)育的“鑰匙”，為胎盤(pán)發(fā)育、功能分析及胎盤(pán)疾病的致病機制研究提供了理想的體外模型，相關(guān)論文發(fā)表于細胞出版社旗下《整合科學(xué)》雜志。
單倍體細胞沒(méi)有基因“備份”
“真核生物的遺傳信息一半來(lái)自于父本一半來(lái)自于母本，因此自然情況下細胞中具有兩套染色體，這也是哺乳動(dòng)物傳遞遺傳信息的方式，并通過(guò)減數分裂的方式抵御環(huán)境變遷，保障物種繁衍。但是對于遺傳學(xué)研究尤其是隱性遺傳基因功能的探索，二倍體細胞往往由于存在等位基因而受限。”帥領(lǐng)教授向科技日報記者介紹說(shuō)，“兩套染色體相當于‘雙保險’，如果對其中一個(gè)基因進(jìn)行調控，由于存在對應的等位基因‘備份’，使得被改變的基因不能立刻突顯功能。然而，只有一套染色體的單倍體細胞，沒(méi)有基因‘備份’，我們對任意基因的更改，都會(huì )瞬間帶來(lái)表型的改變。這對于我們探索生命現象、破解基因密碼十分有利。”
據帥領(lǐng)介紹，自2011年以來(lái)，小鼠和人類(lèi)等哺乳類(lèi)的單倍體胚胎干細胞系相繼被頂級科技期刊報道過(guò)，然而，對于胎盤(pán)發(fā)育格外重要的胚外譜系的單倍體細胞系目前尚無(wú)報道。“我們這次實(shí)驗是用小鼠完成的。”論文第一作者、南開(kāi)大學(xué)藥學(xué)院博士彭柯力介紹說(shuō)，小鼠胚胎發(fā)育到桑椹胚后，桑椹胚進(jìn)一步發(fā)育，細胞發(fā)生第一次命運決定，分化為兩類(lèi)細胞。聚集于胚胎一端且處于內部的個(gè)體較大的細胞群，稱(chēng)為內細胞團（簡(jiǎn)稱(chēng)ICM），其具有發(fā)育全能性，能夠發(fā)育成胎兒的各種組織；而沿著(zhù)透明帶內壁擴展和排列的細胞群稱(chēng)為滋養層外胚層（簡(jiǎn)稱(chēng)TE），未來(lái)發(fā)育成胎膜和胎盤(pán)組織。
在適宜的體外培養條件下，可以分別從囊胚中的ICM和TE分離并建立胚胎干細胞（簡(jiǎn)稱(chēng)ESCs）細胞系與滋養層干細胞（簡(jiǎn)稱(chēng)TSCs）細胞系。”彭柯力解釋道，在適宜的體外培養條件下，ESCs能夠維持自我更新，保持無(wú)限增殖并且不分化的狀態(tài)，同時(shí)保留分化為三胚層的發(fā)育潛能；同樣的，在適宜條件下，TSCs也能夠維持自我更新，保持無(wú)限增殖的能力，并且保留分化為滋養層譜系所有類(lèi)型細胞的潛能，可以研究胚外組織發(fā)育生命現象。
胎盤(pán)遺傳學(xué)研究的理想體外模型
與ESCs不同，TSCs能夠分化為胎盤(pán)中不同類(lèi)型的滋養層細胞，是胎盤(pán)遺傳學(xué)研究的理想體外模型。但是，目前對TSCs的雙等位基因編輯效率較低，這大大限制了其應用。
帥領(lǐng)團隊發(fā)現，轉錄因子CDX2的可誘導化過(guò)表達可以將單倍體ESCs轉化為T(mén)SCs。然而，所有單倍體細胞培養物都傾向于加倍回到二倍體，如何抑制單倍體細胞的“自發(fā)二倍化”成為工作難點(diǎn)。
“我們通過(guò)敲除基因組中的p53基因解決了這一問(wèn)題，確保了單倍體TSCs在長(cháng)期體外培養過(guò)程中維持單倍性，凸顯了其在胚外組織中的遺傳學(xué)篩選研究?jì)?yōu)勢。”帥領(lǐng)說(shuō)。
據介紹，這次獲得的單倍體TSCs不僅可以在體外分化成胎盤(pán)譜系的多種細胞，也能在體內模擬胎盤(pán)發(fā)育（產(chǎn)生出血灶）。
為了驗證單倍體TSCs“基因篩選利器”的判斷，帥領(lǐng)團隊借助轉座子系統高效引入基因突變，并成功篩選出了海綿滋養層細胞的限制基因——HTRA1。“正常的單倍體TSCs可以分化為出血灶、合胞體滋養層、海綿滋養層、滋養層巨細胞等。HTRA1相當于一個(gè)‘閘門(mén)’，敲除它使得滋養層干細胞更多地定向分化到海綿滋養層，大幅度提高海綿滋養層的分化效率。”
與帥領(lǐng)團隊論文發(fā)表同一天，中科院動(dòng)物研究所周琪院士、李偉研究員團隊還于《細胞報告》在線(xiàn)發(fā)表研究論文，也從發(fā)育能力到組學(xué)等多方面論證了單倍體滋養層干細胞是一類(lèi)真正的具有胚外發(fā)育潛能的單倍體細胞系。“未來(lái)，我們或許也可以利用單倍體滋養層干細胞找到影響胎盤(pán)發(fā)育或者導致胎盤(pán)疾病發(fā)生的藥物作用靶點(diǎn)，從而更好地促進(jìn)胎盤(pán)正常發(fā)育。”帥領(lǐng)說(shuō)。
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