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中科院动物所周琪院士创造新型干细胞
2016-02-04 13:14:39 来源:中国科学报 作者: 【 】 浏览:1386次 评论:0

自然界中偶尔会出现不同物种之间的杂交,动物界包括斑马(斑马和马)、皮弗洛牛(北美野牛和肉牛)以及众所周知的骡子(驴和马),而植物界的杂交水稻就是人们最耳熟能详的例子。这种暧昧关系的重要作用并不在于制造后代,而在于利用杂交的优势产生第三种和亲代完全不同的品种。不过在自然状态下,野生动物发生杂交行为有很多不利因素,即便不同物种之间的某些成员交配成功,但由于物种间的遗传差异过大或携带了不同数目的染色体,其后代通常无法存活或不能生育。

能不能把自然界中的种间杂交现象放在实验室里完成?甚至去完成自然界中不可能发生的远亲物种之间的杂交?

科学家们创造出各类远亲物种间的杂合细胞,如小鼠—大鼠、人啮齿类、人—牛等杂交细胞。但由于这些细胞都是由体细胞融合产生,因而都是四倍体并且基因组不稳定,往往出现大量的染色体丢失,而且几乎没有分化能力。此类培养皿中的“进化”似乎走入了死胡同。

没错,只是似乎,科学家们总会绞尽脑汁来进行突破。中国科学院动物研究所周琪院士就开辟了一条新的道路,创造出一种新型干细胞——异种杂合二倍体胚胎干细胞。这项成果是首例人工创建的、以稳定二倍体形式存在的异种杂合胚胎干细胞,它们包含大鼠和小鼠基因组各一套,并且异源基因组能以二倍体形式稳定存在。

要产生这样的干细胞,首先需要建立不同物种的哺乳动物的单倍体胚胎干细胞。他们选取了大鼠和小鼠作为实验对象。周琪研究团队先后在大鼠和小鼠孤雄(雌)单倍体干细胞领域的研究中获得了突破。孤雄单倍体干细胞是将精子注射到去除了细胞核的卵母细胞中,经过体外的发育和培养而成,而孤雌单倍体干细胞,则是将卵细胞注射到去除了细胞核的精细胞中获得。这种用类似克隆的方式获得的单倍体干细胞只具有正常细胞一半的染色体(我们称之为单倍体)并能够稳定传代。与此同时,单倍体胚胎干细胞不仅能够像普通干细胞一样无限扩增、繁殖,还能够替代精子或卵子作为生殖细胞繁育后代。

在上述研究基础上,研究人员通过细胞融合技术将小鼠孤雄(雌)和大鼠孤雌(雄)单倍体干细胞融合,获得了异种杂合二倍体胚胎干细胞。原本小鼠生殖细胞有20条染色体,而大鼠是21条染色体,精卵融合后无法发育。而异种杂合二倍体胚胎干细胞具有胚胎干细胞的三胚层分化能力,甚至能够分化形成早期的生殖细胞,并且在培养和分化过程中保持异种二倍体基因组的稳定性。

“它能分化成各种各样的杂合细胞群体,形成组织,下一步我们希望能获得杂合细胞发育的器官。”参与该研究的李伟研究员表示。

虽然暂时还未形成器官,但这听起来已经非常酷炫了。

这样一种“不可思议”的细胞除了打破人们对常规异种杂合的认识外,还成为了科学研究的“利器”。通过基因表达分析后,异种杂合二倍体胚胎干细胞展现出独特的基因表达模式以及独特的生物学性状,科学家们将杂合细胞比喻成翡翠玉佩,它同时具有大鼠和小鼠的基因组和生物学特性,对二者结合进行分析能够有效地挖掘出物种间性状差异的分子调控机制。

“异种杂合细胞融合了两个物种的遗传物质和性状,可以让我们去探索物种之间差异形状的分子基础。”李伟认为这是很独特的工具——为进化生物学、发育生物学和遗传学等研究提供新的模型和工具。

杂合细胞还出现了一个奇特的现象。它的X染色体失活也不采用哺乳动物常见的“随机失活”模式,而是采用小鼠X染色体特异失活模式。

项目参与人李鑫博士说:“这是一个非常独特的、从未报道过的现象。利用杂合细胞的这一特性,我们系统鉴定了小鼠X染色体失活逃逸基因,揭示了X染色体失活和失活逃逸的新方式和新机制。”

未来,这些具有胚胎干细胞特性的异种二倍体杂合干细胞把不同物种的特性放在实验室的培养皿中,将帮助科学家们完成更多的生物学新发现。

天然存在的生殖隔离,到目前为止还是物种进化中牢不可破的规律,尤其是越高等的动物间壁垒越多。是否能够突破这一隔离,甚至在更高等动物如灵长类上取得突破,我们拭目以待。

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