單倍體胚胎幹細胞的建立為遺傳篩選研究、製備基因編輯動物模型提供了新的手段，是極具價值的遺傳學研究工具。然而，其在日常培養和分化過程中，常常發生的二倍化現象，嚴重影響其發揮「基因篩選利器」的功能。如何抑制二倍化，高效獲得單倍體胚胎幹細胞成為幹細胞研究界的重要課題。
近日，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室帥領課題組發現，通過基因調控，抑制細胞凋亡可以減少小鼠單倍體胚胎幹細胞在日常培養和分化過程中的二倍化現象。這一發現為獲取各種單倍體分化細胞提供了一種快速有效的策略，推廣了單倍體細胞在各個譜系的遺傳學篩選研究。6月5日，介紹該工作的論文在線發表於國際學術期刊《幹細胞報導》。
圖1.p53敲除的單倍體幹細胞在體內外多種分化實驗中，均呈現極強的單倍性維持能力,生物信息分析發現，單倍體的穩定維持，與凋亡基因的抑制有關。
真核生物的遺傳信息一半來自於父本，一半來自於母本。因此，在自然情況下，細胞中具有兩套染色體（即，二倍體細胞），這也是哺乳動物傳遞遺傳信息的方式，並通過減數分裂來抵禦環境變遷，保障物種繁衍。但是，對於遺傳學研究，尤其是隱性遺傳基因功能的探索，二倍體細胞往往由於存在等位基因而受限。
「兩套染色體相當於『雙保險』，如果對其中一個基因進行調控，由於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，都會直接帶來表型的改變。這對於我們探索生命現象、破解基因密碼十分有利。」帥領說，這也是單倍體細胞被稱為「基因篩選利器」的主要原因。近十年來，包括小鼠、大鼠、猴、人在內的多個物種的單倍體幹細胞相繼問世，引起了遺傳學篩選和藥物靶點分析等領域的廣泛關注，相關成果均發表在國際頂級學術期刊。
正是由於單倍體幹細胞具有純合子表型和幹細胞多分化潛能等特徵，因此，可以快速地將其應用於探索新穎基因的未知功能。然而，這一類人造純合子的工具細胞，在日常培養或分化路徑中，傾向於自發二倍化，進而喪失了單拷貝基因組的優勢。因此需要依靠費時而複雜的分選方式去周期性的富集單倍體細胞，從而大大局限了單倍體幹細胞在多個領域的應用。
「因此，探究單倍體幹細胞的二倍化機制，從而從根本上有效地維持單倍體幹細胞的單倍性，對於推廣此類遺傳學篩選研究的工具細胞具有深遠的意義。」帥領說。
帥領課題組研究發現，敲除基因組中的p53基因可以穩定維持小鼠單倍體胚胎幹細胞的單倍性。他們發現，p53敲除的小鼠單倍體幹細胞在進行體外分化時，可獲得單倍體純度極高的擬胚體、上胚層幹細胞樣細胞和神經幹細胞樣細胞。而體內分化實驗證明，p53敲除的小鼠單倍體胚胎幹細胞可以通過嵌合體實驗貢獻到胚胎發育第6.5天、第8.5天和第10.5天，並保持很高的單倍體比例。另外，在畸胎瘤體內分化實驗中也能檢測到單倍體的體細胞。
為了探究p53敲除的小鼠單倍體胚胎幹細胞穩定維持單倍性的原因，研究人員通過轉錄組測序分析發現，p53敲除的小鼠單倍體胚胎幹細胞中，凋亡基因的表達量出現了明顯下調，而p53相關的其它信號通路的基因表達水平卻沒有看見明顯的差異。後續結果表明，凋亡基因p73的缺失也可以有效維持小鼠單倍體胚胎幹細胞的單倍性。
「我們的研究證明了p53敲除主要通過對細胞凋亡的抑制來維持小鼠單倍體胚胎幹細胞在日常傳代培養和體內外分化過程中的單倍性。這為獲取各種單倍體分化細胞提供了一種快速有效的策略，也推廣了單倍體細胞在各個譜系的遺傳學篩選研究。」帥領說。
據了解，6月5日，介紹該研究的論文在線發表於《細胞》（Cell）出版社旗下子刊《幹細胞報導》（Stem Cell Reports）。南開大學藥學院博士生張文豪、碩士生田亞茹和博士生高倩為論文共同第一作者，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室帥領研究員，北京大學第三醫院于洋研究員、廣州醫科大學第三醫院範勇研究員為共同通訊作者。該研究受到國家重點研發計劃、國家自然基金等項目資助。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2020.05.004
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