胎盤是維持胎兒生命的重要器官，被譽為“生命樹”。日前，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室?guī)涱I(lǐng)研究團隊利用可誘導過表達轉(zhuǎn)錄因子CDX2的方式在體外獲得單倍體滋養(yǎng)層干細胞，該新型單倍體干細胞只有一套基因組，可在體外無限增殖并具備分化成為胎盤譜系各種細胞的潛能。因此該研究猶如找到了生命樹成長發(fā)育的“鑰匙”，為胎盤發(fā)育、功能分析及胎盤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》雜志。

單倍體細胞沒有基因“備份”

“真核生物的遺傳信息一半來自于父本一半來自于母本，因此自然情況下細胞中具有兩套染色體，這也是哺乳動物傳遞遺傳信息的方式，并通過減數(shù)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，“兩套染色體相當于‘雙保險’，如果對其中一個基因進行調(diào)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，沒有基因‘備份’，我們對任意基因的更改，都會瞬間帶來表型的改變。這對于我們探索生命現(xiàn)象、破解基因密碼十分有利。”

據(jù)帥領(lǐng)介紹，自2011年以來，小鼠和人類等哺乳類的單倍體胚胎干細胞系相繼被頂級科技期刊報道過，然而，對于胎盤發(fā)育格外重要的胚外譜系的單倍體細胞系目前尚無報道。“我們這次實驗是用小鼠完成的。”論文第一作者、南開大學藥學院博士彭柯力介紹說，小鼠胚胎發(fā)育到桑椹胚后，桑椹胚進一步發(fā)育，細胞發(fā)生第一次命運決定，分化為兩類細胞。聚集于胚胎一端且處于內(nèi)部的個體較大的細胞群，稱為內(nèi)細胞團(簡稱ICM)，其具有發(fā)育全能性，能夠發(fā)育成胎兒的各種組織;而沿著透明帶內(nèi)壁擴展和排列的細胞群稱為滋養(yǎng)層外胚層(簡稱TE)，未來發(fā)育成胎膜和胎盤組織。

在適宜的體外培養(yǎng)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(簡稱ESCs)細胞系與滋養(yǎng)層干細胞(簡稱TSCs)細胞系。”彭柯力解釋道，在適宜的體外培養(yǎng)條件下，ESCs能夠維持自我更新，保持無限增殖并且不分化的狀態(tài)，同時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，保持無限增殖的能力，并且保留分化為滋養(yǎng)層譜系所有類型細胞的潛能，可以研究胚外組織發(fā)育生命現(xiàn)象。

胎盤遺傳學研究的理想體外模型

與ESCs不同，TSCs能夠分化為胎盤中不同類型的滋養(yǎng)層細胞，是胎盤遺傳學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(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子CDX2的可誘導化過表達可以將單倍體ESCs轉(zhuǎn)化為TSCs。然而，所有單倍體細胞培養(yǎng)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。

“我們通過敲除基因組中的p53基因解決了這一問題，確保了單倍體TSCs在長期體外培養(yǎng)過程中維持單倍性，凸顯了其在胚外組織中的遺傳學篩選研究優(yōu)勢。”帥領(lǐng)說。

據(jù)介紹，這次獲得的單倍體TSCs不僅可以在體外分化成胎盤譜系的多種細胞，也能在體內(nèi)模擬胎盤發(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(zhuǎn)座子系統(tǒng)高效引入基因突變，并成功篩選出了海綿滋養(yǎng)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(yǎng)層、海綿滋養(yǎng)層、滋養(yǎng)層巨細胞等。HTRA1相當于一個‘閘門’，敲除它使得滋養(yǎng)層干細胞更多地定向分化到海綿滋養(yǎng)層，大幅度提高海綿滋養(yǎng)層的分化效率。”

與帥領(lǐng)團隊論文發(fā)表同一天，中科院動物研究所周琪院士、李偉研究員團隊還于《細胞報告》在線發(fā)表研究論文，也從發(fā)育能力到組學等多方面論證了單倍體滋養(yǎng)層干細胞是一類真正的具有胚外發(fā)育潛能的單倍體細胞系。“未來，我們或許也可以利用單倍體滋養(yǎng)層干細胞找到影響胎盤發(fā)育或者導致胎盤疾病發(fā)生的藥物作用靶點，從而更好地促進胎盤正常發(fā)育。”帥領(lǐng)說。

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