JMCB:培育出首株豬源iPS細胞系

2020-11-28 生物谷

科學家已經把來自豬的細胞誘導轉變成了多能幹細胞——這種細胞就像胚胎幹細胞一樣,有能力發育成身體中的任何類型的細胞。這是全世界首次使用任何有蹄腳的動物(被稱為有蹄類動物)的體細胞(不是精細胞或卵細胞的細胞)實現了這一成果。

這項成就的意義深遠。該研究可能為建立人類遺傳病模型、培育供人類器官移植的轉基因動物以及開發耐受豬流感等疾病的豬開創一條道路。

這項研究是新創刊的《分子細胞生物學報》今天(6月3日星期三)在網上發布的第一篇論文。

領導了該研究的肖磊博士說:「迄今為止,科學家在利用早期胚胎培育有蹄類動物的多能胚胎幹細胞方面做了很多努力,但是沒有成功。這是世界首次培育出馴化的有蹄類動物的多能幹細胞。因此,這項研究是全新的、非常重要,而且對於人類和動物健康有許多應用。」

肖博士領導著上海生物化學與細胞生物學研究所(中國上海)的幹細胞實驗室,他和同事通過使用轉錄因子重編程了來自一頭豬的耳朵和骨髓的細胞,從而成功地培育出了誘導多能幹細胞。通過一種病毒把這些重編程因子的混合物引入細胞中,這些細胞發生了變化並在實驗室中發育成了胚胎樣幹細胞群。進一步的測試證明了它們確實有能力分化成組成了胚胎的三層(內胚層、中胚層和外胚層)的細胞類型——這是所有胚胎幹細胞都具有的能力。從成功培育出誘導多能幹細胞(iPS細胞)獲得的信息意味著科學家繼續培育來自豬或其他有蹄類動物胚胎的胚胎幹細胞(ES細胞)將變得遠遠更加容易。

肖博士說:「豬的多能幹細胞有許多用途,諸如準確改造用於器官移植治療的轉基因動物。豬在形態和功能方面與人類相當類似,而且器官尺寸與人類器官在很大程度上類似。我們可以使用胚胎幹細胞或誘導幹細胞修改豬的與免疫有關的基因,從而讓豬的器官與人類免疫系統兼容。然後我們可以使用這些豬作為器官供體為患者提供器官,而不會引發來自患者自身免疫系統的有害反應。」

「豬多能幹細胞系還可以用於建立人類遺傳病的模型。許多人類疾病,諸如糖尿病,是由基因表達障礙造成的。我們可以修改幹細胞中的豬的基因,並培育出攜帶同樣基因障礙的豬,從而讓它們具有和人類患者類似的症狀。然後就有可能使用這種豬模型開發治療這種疾病的療法。

「例如,為了應對豬流感,我們可以培育出一種準確的轉基因豬,從而改善它對這種疾病的耐性。我們首先可以找到一種具有抗豬流感活動或者抑制豬流感病毒增殖的基因;然後,我們可以把這種基因通過多能幹細胞引入到豬的體內——這個過程被稱為基因『敲入』,從而實現這一目標。另外,由於豬流感病毒需要與豬細胞膜上的一個受體結合才能進入細胞並進行增殖,我們可以通過對豬誘導多能幹細胞進行基因打靶從而敲出這一受體。如果這個受體消失了,這種病毒也就不會感染豬了。」

除了對於豬和人類的醫學應用,肖博士說他的發現可以用於改善畜牧業,不僅僅通過讓豬更健康,而且還通過修改與生長有關的基因以改變和改善豬生長的方式從而改善畜牧業。

然而,肖博士警告說,他的研究的一些潛在的醫學應用可能還需要數年時間才能投入臨床使用。

他的研究的下一階段是使用豬iPS細胞產生轉基因豬,從而為患者提供器官,改善豬的品種或用於疾病耐受能力。這些經過修改的動物可以是「敲入」的豬,即使用iPS細胞或ES細胞把一段額外的遺傳物質(諸如一段人類DNA)轉移給豬的基因組,或者是「敲出」的豬,即用這種技術阻止一個特定基因發揮作用。

該雜誌的主編李黨生教授評論該研究時說;「這項研究非常令人激動,因為它代表了培育有蹄類物種的多能幹細胞的首次嚴格證明,這將為培育出精確的轉基因動物用於研究、治療和農業用途提供有趣的機會。」(生物谷Bioon.com)

生物谷推薦原始出處:

Journal of Molecular Cell Biology, doi:10.1093/jmcb/mjp003

Generation of Pig-Induced Pluripotent Stem Cells with a Drug-Inducible System

Zhao Wu1,, Jijun Chen1,, Jiangtao Ren1, Lei Bao1, Jing Liao1, Chun Cui1, Linjun Rao1, Hui Li2, Yijun Gu1, Huiming Dai1, Hui Zhu1, Xiaokun Teng3, Lu Cheng1 and Lei Xiao1,*

1 Laboratory of Molecular Cell Biology, Institute of Biochemistry and Cell Biology, Cell Bank, Stem Cell Bank, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, People's Republic of China
2 Xiangtan Center Hospital, Hunan 411100, People's Republic of China
3 National Engineering Center for Biochip at Shanghai, Zhangjiang Hi-Tech Park, Pudong, Shanghai 201203, People's Republic of China

Domesticated ungulate pluripotent embryonic stem (ES) cell lines would be useful for generating precise gene-modified animals. To date, many efforts have been made to establish domesticated ungulate pluripotent ES cells from early embryos without success. Here, we report the generation of porcine-induced pluripotent stem (iPS) cells using drug-inducible expression of defined factors. We showed that porcine iPS cells expressed alkaline phosphatase, SSEA3, SSEA4, Tra-1-60, Tra-1-81, Oct3/4, Nanog, Sox2, Rex1 and CDH1. Pig iPS cells expressed high levels of telomerase activity and showed normal karyotypes. These cells could differentiate into cell types of all three germ layers in vitro and in teratomas. Our study reveals properties of porcine pluripotent stem cells that may facilitate the eventual establishment of porcine ES cells. Moreover, the porcine iPS cells produced may be directly useful for the generation of precise gene-modified pigs.

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