防止胚胎干细胞“除名”科学家寻找关键基因

单倍体胚胎干细胞的建立为基因筛选研究和基因编辑动物模型的制备提供了新的方法，是一种有价值的基因研究工具。然而，在日常的培养和分化过程中，它往往会加倍，严重影响其作为“基因筛选工具”的功能。如何有效抑制加倍并获得单倍体胚胎干细胞已成为干细胞研究的重要课题。

最近，南开大学药物化学与生物国家重点实验室的凌帅研究小组发现，通过基因调控抑制凋亡可以减少小鼠单倍体胚胎干细胞在日常培养和分化过程中的加倍现象。这一发现为获得各种单倍体分化细胞提供了一种快速有效的策略，扩大了单倍体细胞用于各种谱系遗传筛选的研究范围。相关研究论文已在国际学术期刊《干细胞报道》在线发表。

单倍体更有利于探索新基因的未知功能。

据报道，真核生物一半的遗传信息来自父本，一半来自母本。因此，在自然条件下，细胞有两套染色体(即二倍体细胞)，这也是哺乳动物传递遗传信息的方式，并通过减数分裂来抵御环境变化和确保物种繁殖。然而，二倍体细胞在遗传研究中，尤其是在探索隐性遗传功能时，经常受到等位基因存在的限制。

“两套染色体相当于‘双重保险’。如果其中一个基因受到调控，由于相应等位基因“备份”的存在，改变的基因不能立即突出其功能。然而，只有一组染色体的单倍体细胞没有基因“备份”，我们对任何基因的任何改变都会直接导致表型的改变。这对我们探索生命现象和破解基因密码非常有益。”凌帅说，这也是单倍体细胞被称为“基因筛选利器”的主要原因。在过去的10年里，他的研究小组已经从许多物种如小鼠、大鼠、猴子和其他物种中开发出单倍体干细胞，这在基因筛选和药物靶标分析领域引起了广泛关注。相关结果已在国际顶级学术期刊上发表。

单倍体干细胞由于其纯合的表型和干细胞的多向分化潜能，可以迅速应用于探索新发现基因的未知功能。然而，这种人工纯合工具细胞往往在常规培养或分化途径中自发加倍，从而失去单倍体基因组的优势。因此，有必要依赖耗时且复杂的分选方法来周期性地富集单倍体细胞，从而极大地限制了单倍体干细胞在许多领域的应用。

“探索单倍体干细胞的加倍机制，有效维持单倍体干细胞的单倍体水平，对于促进工具细胞在此类基因筛选研究中的应用具有深远的意义。”帅领说。

转录组测序发现维持单倍体的调节基因

帅岭研究小组的研究发现，敲除基因组中的p53基因可以稳定地维持小鼠单倍体胚胎干细胞的单倍体水平。他们发现被p53敲除的小鼠单倍体干细胞在体外分化时可以获得具有极高单倍体纯度的胚状体、上皮干细胞样细胞和神经干细胞样细胞。然而，体内分化实验证明，通过嵌合实验，p53敲除的单倍体小鼠胚胎干细胞在进入胚胎组织后的第6、8、5、10天仍能保持较高的单倍体比例。此外，单倍体体细胞也可以在体内畸胎瘤分化实验中检测到。

为了探索被p53敲除的小鼠单倍体胚胎干细胞稳定保持单倍体的原因，研究人员通过转录组测序分析发现，被p53敲除的小鼠单倍体胚胎干细胞中凋亡基因的表达水平显著降低，而其他p53相关信号通路的基因表达水平无显著差异。随后的结果表明，凋亡基因p73的缺失也能有效地维持小鼠单倍体胚胎干细胞的单倍体性。

“我们的研究证明p53基因敲除主要通过抑制凋亡来维持小鼠单倍体胚胎干细胞在日常传代培养以及体外和体内分化中的单倍体。这不仅有助于快速有效地获得各种单倍体分化细胞，而且扩大了单倍体细胞遗传筛选的谱系范围。”帅领说。