胚胎干细胞研究最新进展(第2期)

发布时间:2018-11-30 15:17

胚胎干细胞,是一种具有具有持久或终身具有更新能力的细胞,它能够或发育成几乎所有人类的各种组织或器官,故其在医学上具有非常重要的研究价值与应用前景。 人胚胎干细胞是在人胚胎发育早期——囊胚(受精后约5—7天)中未分化的细胞。囊胚含有约140个细胞,外表是一层扁平细胞,称滋养层,可发育成胚胎的支持组织如胎盘等。中心的腔称囊胚腔,腔内一侧的细胞群,称内细胞群,这些未分化的细胞可进一步分裂、分化,发育成个体。内细胞群在形成内、中、外三个胚层时开始分化。每个胚层将分别分化形成人体的各种组织和器官,如外胚层将分化为皮肤、眼睛和神经系统等,中胚层将形成骨骼、血液和肌肉等组织,内胚层将分化为肝、肺和肠等。由于内细胞群可以发育成完整的个体,因而这些细胞被认为具有全能性。当内细胞群在培养皿中培养时,我们称之为胚胎干细胞

通常人胚胎
干细胞的来源有四种:选择性流产的人类胚胎组织;治疗不孕症夫妇不需要的由体外受精产生的人类胚胎;由捐献者专门为研究所捐献的配子由体外受精产生的人类胚胎;由体细胞核移植技术将人体细胞核移植入人或动物的卵泡内产生人类胚胎或嵌合体胚胎。

小编针对近年来胚胎
干细胞研究取得的最新进展进行一番盘点,以飨读者。

1.Cell Stem Cell:重磅!我国科学家在全球首次实现哺乳动物孤雄生殖
doi:10.1016/j.stem.2018.09.004


在过去十年左右的时间里,科学家们已通过操纵印记基因组区域---在那里,DNA的表观遗传修饰将某些基因的表达限制在一个亲本的拷贝中---培育出由两只雌鼠作出遗传贡献的小鼠幼仔。如今,在一项新的研究中,来自中国科学院动物研究所、中国科学院干细胞再生医学创新研究院、中国科学院大学和东北农业大学的研究人员对之前通过利用两只雌鼠培育出看似能够正常生长的小鼠(所产生的这些小鼠能够活到有它们自己的幼仔)的研究进行改进。他们采用一种类似的策略构建出由两只雄鼠产生的胚胎,不过它们的后代在出生后不能够存活很长时间。相关研究结果于2018年10月11日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions”。论文通信作者为中国科学院动物研究所胡宝洋(Bao-Yang Hu)研究员、周琪(Qi Zhou)研究员和李伟(Wei Li)研究员。


图片来自Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2018.09.004。 


这些研究人员发现利用在两个印记基因组区域中发生基因缺失的孤雌单倍体胚胎干细胞培育出的双母亲小鼠在行为测试中表现异常并且具有较小的身材。为了让它们更接近于正常的小鼠,他们随后剔除了位于Rasgrf1基因上游的第三个长12.1kb的印记基因组区域。他们选择Rasgrf1基因是因为它在野生型成年小鼠和双母亲成年小鼠的大脑中差异性地表达。很显然,他们的选择是正确的。由此产生的双母亲小鼠后代正常地生长,而且在行为测试中与对照小鼠没有差别。

为了解决双父亲胚胎的问题,这些研究人员回到了他们在2012年完成的那项研究(Nature, 18 October 2012, doi:10.1038/nature11435),在那项研究中,他们通过将精子注射到没有细胞核的卵子中而构建出孤雄单倍体胚胎干细胞(androgenetic haploid embryonic stem cell, ahESC)。当他们将其中的一个孤雄单倍体胚胎
干细胞和另一个精子插入到新鲜的没有细胞核的卵子中时,胚胎发育开始发生,但这些胚胎在第8天左右停止生长,此后不久胎盘也停止生长。

因此,这些研究人员转向了一种称为四倍体胚胎互补(tetraploid complementation)的技术,这种技术促进由胚胎干细胞产生的胚胎中的胎盘发育。他们从双父亲胚胎中获得二倍体胚胎干细胞,在让这些二倍体胚胎干细胞长成胚泡(blastocyst)后,他们将另一个孤雄单倍体胚胎
干细胞注入胚泡中。 

即使采取了额外的步骤,这些研究人员也必须剔除7个之前已经证实影响胚胎发育的印记基因组区域,才能成功培育出双父亲小鼠幼仔。仅少剔除一个印记基因组区域就会导致所产生的双父亲小鼠幼仔在出生后因呼吸问题而快速地死亡,它们在体重上是野生型小鼠幼仔的两倍并且全身肿胀。缺失这7个印记基因组区域的双父亲小鼠幼仔仍然比野生型小鼠幼仔略大,并且在出生后不久就死亡,不过其中的两只双父亲小鼠幼仔的寿命超过48小时。

2.BioRes:鉴定出维持干细胞多能性的关键性因子BRG1
doi:10.1089/biores.2013.0047


对成体细胞进行重编程让它们返回到一种未分化的多能性状态,为人们开发出新的细胞疗法奠定基础。这个领域的加快发展将依赖于鉴定出促进多能性的因子。在一项新的研究中,来自德国明斯特大学和马克斯-普朗克分子生物医学研究所的研究人员就鉴定出这样的一种被称作Brg1的蛋白因子。相关研究结果发表在BioResearch Open Access期刊上,论文标题为“BRG1 Is Required to Maintain Pluripotency of Murine Embryonic Stem Cells”。 

在这项研究中,论文通信作者Nishant Singhal和同事们证实蛋白Brg1在调节参与维持胚胎
干细胞多能性的一个基因网络内的部分基因中发挥着关键性作用。这个相同的基因网络是开发成体细胞重编程方法的靶标。

3.Sci Rep:人类胚胎干细胞为何能长生不老?
doi:10.1038/s41598-018-22384-9


在培养液中干细胞被认为是长生不朽的,因此其常常成为了众多科学家们从事机体老化研究的热门对象,增加蛋白质稳态(proteostasis)被认为能够调节干细胞的不朽特性,而蛋白质稳态同时还能控制蛋白质的质量,近日,来自科隆大学的研究人员通过研究发现蛋白质稳态的增加和人类胚胎干细胞长生不老特性之间的关联,相关研究成果刊登于国际杂志Scientific Reports上。


图片来源:www.bioinformant.com


诱发这类干细胞长生不老的其中一种机制就是“垃圾处理系统”—蛋白酶体,其是蛋白质稳态网络中的关键点。蛋白酶体系统的关键就是所谓的E3泛素连接酶,这些酶类能够标记蛋白质,促进其降解来维持细胞处于健康状态,研究者Isabel Saez Martinezfrom说道,这就好像给它们贴标签,标记一些没有功能的东西一样;我们对600多个蛋白质进行了系统性地筛选,最后缩小范围至30个E3泛素连接酶,当发现这些连接酶后,利用CRISPR和RNAi技术就能够降低E3连接酶的水平。

4.PNAS:长达35年 科学家们终于从奶牛体内成功分离到了胚胎干细胞!
doi:10.1073/pnas.1716161115


35年来,科学家们一直尝试从奶牛中分裂胚胎干细胞,但均未成功,在合适的条件下,胚胎干细胞能够无限增殖,同时会分化成为任何一种细胞类型或组织,这或许对于培育转基因超级奶牛具有一定的影响。

近日,一项刊登在国际杂志Proceedings of the National Academy of Sciences上的研究报告中,来自加利福尼亚大学的科学家通过研究开发了一种新型培养系统,其能够帮助研究人员有效获得
干细胞

利用大型家畜(比如牛)来获取胚胎干细胞对于
遗传检测、基因组工程学研究以及人类疾病的研究都非常关键,这些细胞能够提供人类干细胞疗法的最佳模型,然而小鼠和大鼠因为体型过小所以无法有效阐明是否特定的疗法能够安全有效地应用于人类机体中。

5.FASEB J:利用人胚胎干细胞开发出人工程心脏组织
doi:10.1096/fj.13-228007


科学家们有可能开发出人心脏的组织模型。其他器官的组织模型都已存在,但是对于人心脏而言,这一直很难实现。在一项新的研究中,研究人员利用人胚胎干细胞培养出的工程心脏组织具有显著类似于人心肌的肌肉。相关研究结果近期发表在FASEB Journal期刊上,论文标题为“Advancing functional engineered cardiac tissues toward a preclinical model of human myocardium”。

Costa和同事们在体外培养人工程心脏组织(human engineered cardiac tissue, hECTs)7到10天之后,它们自我组装成长且薄的心肌条带(heart muscle strip),并导致它们在每次心跳中发生弯曲,这样就在这种培养过程期间高效地锻炼这种组织。这些hECTs表现自发性的收缩活性,平均每分钟跳动70次而类似于人心脏。它们也对电刺激作出反应。在功能性分析时,已知一些在天然的成年人心脏中发生的反应也可通过电介入和药物介入而在hECTs中诱导出,尽管hECTs的一些看似矛盾的反应更加密切地类似于未成熟的或新生的人心脏。他们也发现这些人工程心脏组织能够整入腺病毒携带的新的
遗传信息。

6.Nature:构建出一种可逆的突变的小鼠胚胎干细胞生物库
doi:10.1038/nature24027


来自奥地利、英国、瑞士和德国的研究人员开发出可逆的突变的胚胎干细胞生物库。这种被称作Haplobank的细胞库含有10万多种突变的条件性的小鼠胚胎干细胞系,靶向大约70%的蛋白编码基因组(将近1.7万个基因)。相关研究结果发表在2017年10月5日的Nature期刊上,论文标题为“A reversible haploid mouse embryonic stem cell biobank resource for functional genomics”。论文通信作者为奥地利科学院分子生物技术研究所(IMBA)的Ulrich Elling和Josef Penninger。


图片来自Nature, doi:10.1038/nature24027。


Elling解释道,“Haplobank是所有科学家都可利用的,它代表着迄今为止规模最大的突变的半合子胚胎干细胞系库。这种资源克服了克隆变异带来的问题,这是因为突变在干细胞水平和全基因组水平上能够得到修复。” 

作为一种概念验证,这些研究人员开展基因筛选以便发现鼻病毒(导致普通感冒的病毒)感染所需的因子。他们发现鼻病毒需要一种之前未知的宿主细胞因子,即磷脂酶A2G16(PLA2G16),来杀死细胞。再者,他们证实PLA2G16的一个特定的结构域是感染所必需的,而且可能是一种有吸引力的药物靶标。有趣的是,近期已证实PLA2G16是相关的病毒(包括脊髓灰质炎病毒)成功感染宿主细胞所必需的。

7.Stem Cell Rep:利用胚胎干细胞获得更多β细胞
doi:10.1016/j.stemcr.2017.08.009


最近来自哥本哈根大学和诺和诺德制药公司的研究人员共同在国际学术期刊Stem Cell Reports上发表了一篇文章,该研究为如何利用人类胚胎干细胞获得更多β细胞提供了更好的见解。

“目前科学家们已经可以将干细胞诱导分化成类似β细胞的细胞类型,而我们的研究则表明现在所使用的方法制备出的细胞更像是α细胞,不过这仍然帮助我们进一步理解了该如何将干细胞诱导成β细胞。事实上,我们也证明了干细胞可以沿着不同的路径进行发育,最终产生同一种类型的β细胞。”诺和诺德
干细胞生物学研发中心的Anne Grapin-Botton教授这样说道。

在这项研究中,科学家们分析了通过不同途径向β细胞分化的600个不同细胞,并对每一个细胞进行了检测分析它们与β细胞在分子水平上的相似度。通过这种方法研究人员对发育过程中的重要基因有了更多了解,其中NXK6.1和MNX1这两个基因在分化成β细胞的细胞类型中被激活。

8.Nature:利用胚胎干细胞从头构建定制的大脑区域
doi:10.1038/s41586-018-0586-0


在一项新的研究中,来自美国波士顿儿童医院和加州大学旧金山分校的研究人员描述了一种新方法来构建定制的小鼠模型来研究大脑。首先,一种天然的毒素可用于在小鼠胚胎中杀死通常生长在前脑中的年轻脑细胞。随后就可利用经过基因改造的含有研究所需的特定遗传修饰的胚胎干细胞重建小鼠正在发育中的前脑。相关研究结果于2018年10月10日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Neural blastocyst complementation enables mouse forebrain organogenesis”。


图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0586-0。


这种“前脑替换(forebrain substitution)”导致遗传学特征受到严格控制的功能齐全的小鼠幼仔,从而允许科学家们能够在更大程度的控制下研究特定基因如何影响大脑疾病。

论文共同通信作者、波士顿儿童医院细胞与分子医学项目主任Fred Alt博士说,“我们认为这种策略是神经生物学家研究大脑许多方面的一种全新平台,从哪些基因控制大脑发育的基本知识到可能为脑癌和精神疾病寻找新的基因疗法。”

论文共同通信作者、Alt实验室的前实习生Bjoern Schwer博士说,“携带着由胚胎
干细胞产生的大脑区域的小鼠在记忆和学习任务方面与正常小鼠是没有区别的。”

9.Nature:胚胎干细胞在体外自我组装成胚胎样结构
doi:10.1038/s41586-018-0578-0


哺乳动物身体的结构在胚胎植入子宫后不久就已建立。身体的前后轴、背腹轴和中间外侧轴在协调胚胎的各个区域中的DNA转录的基因网络的调节下便已确定了。如今,在一项新的研究中,来自瑞士日内瓦大学、洛桑联邦理工学院和英国剑桥大学的研究人员报道了小鼠胚胎干细胞产生表现出类似能力的伪胚胎(pseudo-embryo, 即胚胎样结构)。相关研究结果于2018年10月3日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids”。

这些被称作类原肠胚(gastruloid)的结构仅由大约300个胚胎
干细胞组成,表现出具有与6至10天龄胚胎后部相似的发育特征。这项研究表明,三个主要的胚胎轴是根据类似于胚胎的基因表达程序形成的。因此,类原肠胚有重大的潜力用于研究哺乳动物正常或病理性胚胎发育的早期阶段。

因难以获得早期哺乳动物胚胎,对协调它们形成的过程进行研究是很难开展的。英国剑桥大学
遗传学系教授Alfonso Martinez Arias及其团队近期发现,在某些条件下,小鼠胚胎干细胞能够组装成三维聚集体,这种三维聚集体在体外培养时持续伸长。这些被称为“类原肠胚”的实体显示出胚胎发育早期阶段的不同特征。


转载自:生物谷    如有侵权请联系删除


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