首个牛胚胎干细胞诞生
来源:中国科学报 发布时间:2018-02-11 21:10:42

家畜育种者如今可利用胚胎干细胞改善畜群的遗传性状。 图片来源:HeshPhoto/Alamy Stock Photo

经过几十年的努力,科学家最终成功地从牛身上获得胚胎干(ES)细胞,并在培养皿中使其保持原始状态。获得这些可变成从皮肤到肌肉、骨头等各种组织的多功能细胞,将使调整和保存肉牛以及乳牛品种的遗传性状变得更加容易。这反过来又促成了产生更多牛奶或者更嫩牛肉、产仔时面临更少并发症以及拥有更强的疾病抵抗力的动物。此项发现或许还为研究牛的基本发育和成为人类疾病模型开辟了道路。

“我原以为这辈子都不会看到此事发生。”美国密歇根州立大学发育生物学家Jose Cibelli表示。他是上世纪90年代末试图获得牛ES细胞的团队成员之一。自从以后的诸多努力中,当来自牛胚胎的干细胞在实验室中被生长出来时,它们会发育成其他细胞类型。这意味着它们很快丧失了多能性。

1981年,科学家成功分离出小鼠ES细胞,从而使他们得以研究早期胚胎发育并且测试遗传缺陷的影响。此后不久,研究人员将目光转向了牛。不过,直到1998年,研究人员才找到合适的营养基培养人类ES细胞。

作为目前正在分离牛ES细胞的团队成员之一,Jun Wu在其职业生涯中极少关注牛。这位来自得克萨斯州西南医学中心的干细胞生物学家一直对从小鼠和人类身上获得新的干细胞种类更感兴趣。他还对开发将来自两个物种的细胞混合的嵌合体感兴趣,比如拥有人类细胞并且可能有一天生长出移植用器官的猪。2015年,他同合作者报告称,发现了很容易在实验室和小鼠体内生长出来的新型人类多能干细胞的正确培养条件。

不过,该项目的一位合作者盯上了另一项研究。此前曾在Cibelli实验室工作的加州大学戴维斯分校生殖生物学家Pablo Juan Ross希望,这些相同的培养条件可能最终维持来自家畜的ES细胞的生长。这会使改善动物遗传性状变得更加容易。为此,这个还将发育生物学家Juan Carlos Izpisúa Belmonte及其在圣地亚哥索尔克研究所的团队包括在内的研究小组,将从牛胚胎中分离出来的干细胞暴露在新的培养基中。这种混合物拥有两个关键组分:促使细胞生长和增殖的蛋白以及另一种抑制它们分化成更多成熟细胞类型的分子。

“他们同时利用了‘加速器’和‘刹车片’。”牧场主、科罗拉多州立大学生殖生理学家George Seidel表示。结果是:在实验室中生长了一年多以后,细胞仍保留了多能状态。“多年来,我的很多同事和学生一直试图做到这一点。”Seidel说。当被注射进拥有较弱免疫系统的小鼠体内时,这些细胞生长成由多种细胞构成的畸胎瘤——真正的多能干细胞的关键特征。研究人员在日前出版的美国《国家科学院院刊》上报告了这一成果。

不过,Seidel表示,对牛ES细胞的兴趣随着克隆技术的发展而有所消退。利用产生多利羊的相同技术,即来自成年细胞的DNA被植入去掉了DNA的卵子中,家畜育种者能复制出想要的动物遗传性状,比如快速生长或者丰富的牛奶产量。拥有这些性状的公牛为育种者带来了丰厚的利润,因为他们可以把精子出售给牛肉和牛奶生产商,而后者利用其为母牛实施人工授精并将更好的性状带给下一代。

不过,Cibelli介绍说,通常被用于产生这些克隆品的细胞——被称为纤维母细胞的结缔组织细胞很短命,并且仅能分裂20或者30次。而有了能生存很长时间的ES细胞,育种者可以更加轻松地抓住优势细胞系,并且通过诸如CRISPR等技术对牛基因组进行多轮编辑。

即便未经过基因改造——一种消费者可能不愿看到被用于牛排和奶昔的技术,ES细胞也能让育种者更加轻松地选择优势动物。他们可以测试来自不同胚胎的ES细胞,以寻找诸如同更多牛奶产量相关的基因等遗传优势。Cibelli表示,一旦辨别出想要的一系列性状,研究人员便能利用这些细胞创造出无限的克隆品。

对于Ross来说,最令人激动的应用依赖于其团队目前的工作——阐明如何将这些ES细胞发展成牛的精子和卵细胞。如果他们成功了,家畜基因公司便可以将这些精子和卵子结合起来,以创建拥有新的遗传组合的胚胎然后从最好的胚胎中分离出更多的干细胞。他们可以利用这种循环——干细胞、精子和卵细胞、胚胎、干细胞——在无须任何动物出生的情况下加速改善后代的性状。这意味着等待牛妊娠的时间变短,同时被浪费的动物变少。“它能使遗传进度加速几个数量级。”Ross表示。

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