科技日報記者 馬愛平
家畜干細胞在生命科學基礎研究、細胞培養人造肉生產和優良品種培育等方面具有巨大應用前景。自1981年小鼠胚胎干細胞 (mESCs)獲得成功以來，國內外科學家一直試圖建立穩定的、可長期傳代的大家畜胚胎多能干細胞系，但始終未獲得成功。
近日，中國農業大學韓建永教授團隊聯合國內多家單位獲得重大突破，成功建立了目前世界家畜干細胞傳代次數最多（傳代260次以上）、可進行多次基因編輯操作的豬胚胎干細胞系，攻克了豬胚胎上胚層多能干細胞建系的國際難題。11月30日，該研究成果在線發表在國際著名學術期刊《細胞研究》（Cell Research）上。
豬既是重要的家畜，也是重要的實驗動物，在基礎研究、人類疾病模型、異種器官移植等領域用途廣泛。針對家畜胚胎上胚層多能干細胞建系困難，傳代次數短，難以承受多次基因編輯操作等國際難題，中國農業大學韓建永團隊聯合四川農業大學、中國科學院動物研究所、中國科學院北京基因研究所、東北農業大學等單位，以豬為模式生物，開展了聯合科技攻關，取得家畜胚胎干細胞領域的重大突破。
研究人員從早期胚胎多能性發育調控分子機制入手，攻克豬早期胚胎單細胞分離技術, 首次繪制了豬胚胎第0-14天（完整的附植前階段）高質量單細胞轉錄組圖譜, 解析了豬上胚層多能性狀態 (初始態、中間態和激發態) 變化及調控的分子機制；基于單細胞數據, 創制了豬原腸化前上胚層多能干細胞 (pgEpiSCs) 培養體系, 成功建立15株細胞系, 細胞維持上胚層多能性狀態, 具有典型干細胞特征，最長傳代次數超過260代，是目前世界上已報道傳代次數最多的大動物干細胞系。
一次基因操作干細胞克隆小豬
三次連續基因編輯干細胞克隆小豬
隨后，研究人員對pgEpiSCs進行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學聯合分析，從三維基因組層面發現pgEpiSCs具有較強的組織分化能力，鑒定了75個在pgEpiSCs中具有重要功能的轉錄因子，為后續豬多能干細胞調控機制研究奠定了重要基礎；通過對pgEpiSCs進行3次不同方式基因編輯，包括隨機插入、CRISPR/Cas9介導的定點插入以及單堿基編輯器介導的堿基C到T置換, 并以經過三次基因編輯的干細胞系為供體細胞，通過核移植技術，獲得來源于pgEpiSCs、出生存活的基因編輯克隆豬，解決了家畜干細胞難以承受長周期、多次基因編輯的國際難題。
穩定的豬胚胎原腸化前上胚層干細胞系 (pgEpiSCs) 建立及其特征分析
專家介紹，該成果具有廣闊的應用前景：一是在生命科學基礎研究領域，作為一種全新的、穩定的豬胚胎多能干細胞系，pgEpiSCs成功建系開創了家畜多能干細胞研究的新方向。二是在細胞培養肉領域，pgEpiSCs可作為未來細胞培養等基于細胞的功能性產品的種子細胞。三是在醫學模式動物研究領域，pgEpiSCs與基因編輯結合, 可用于構建人類疾病模型或抗病豬模型。四是在家畜優良品種培育領域，pgEpiSCs通過定向誘導分化為精子和卵母細胞可以實現干細胞育種。
該研究受到國家重點研發計劃、高層次人才計劃等項目資助, 中國農業大學生物學院博士生郅明雷、張金穎, 四川農業大學教授唐茜子, 中國農業大學動物科技學院副教授高帥, 中國科學院動物研究所余大為博士為本文共同第一作者, 中國農業大學生物學院韓建永教授, 四川農業大學李明洲教授, 中國科學院北京基因組研究所鄭彩宏博士, 東北農業大學劉忠華教授為本文的共同通訊作者。云南農業大學魏紅江教授和中國科學院動物研究所周琪研究員為資深作者。
（論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41422-021-00592-9）
（中國農業大學供圖）
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