單倍體胚胎干細(xì)胞自問世以來，為正向遺傳學(xué)篩選提供了非常優(yōu)秀的平臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于各種病毒受體、藥物靶點(diǎn)、生物發(fā)育現(xiàn)象等關(guān)鍵調(diào)控基因的篩選。然而，其在日常培養(yǎng)和分化過程中，常常會(huì)發(fā)生二倍化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其發(fā)揮“基因篩選利器”的功能。如何從根本上抑制二倍化，高效維持單倍體胚胎干細(xì)胞的單倍性成為干細(xì)胞研究領(lǐng)域的重要課題。
對(duì)此，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)涱I(lǐng)研究員課題組在小鼠單倍體胚胎干細(xì)胞中引入外源抗凋亡基因BCL2，成功構(gòu)建了BCL2過表達(dá)（BCL2-OE）的小鼠單倍體胚胎干細(xì)胞系（haESCs），可以在體內(nèi)外分化等嚴(yán)苛條件下長期維持其單倍性。
【資料圖】
該研究成果不僅進(jìn)一步證實(shí)了抗凋亡可高效抑制單倍體細(xì)胞的自發(fā)二倍化，也為推廣單倍體細(xì)胞在藥物篩選、細(xì)胞分化等方向的靶點(diǎn)篩選提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)一步“擦亮”了單倍體細(xì)胞這一基因篩選利器。日前，介紹該成果的論文在線發(fā)表于生物學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞增殖》上。
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BCL2-OE有效維持單倍體細(xì)胞在日常培養(yǎng)及體內(nèi)外分化過程中的單倍體性示意圖項(xiàng)目組供圖
據(jù)介紹，真核生物的遺傳信息一半來自于父本，一半來自于母本，這種“雙備份”可以在遺傳過程中抵御不良突變，保障物種繁衍，但是對(duì)于遺傳學(xué)研究，尤其是對(duì)于隱性遺傳基因功能的探索就十分受限。而只有一套染色體的單倍體細(xì)胞由于沒有基因“備份”，人們對(duì)任意基因的更改都會(huì)直接體現(xiàn)于表型的改變。這對(duì)于探索生命現(xiàn)象、破解基因密碼十分有利。
然而，這一類人造純合子的工具細(xì)胞，在日常培養(yǎng)或分化過程中傾向于自發(fā)二倍化，進(jìn)而喪失了單拷貝基因組的優(yōu)勢(shì)。因此，在日常培養(yǎng)中，需要不斷通過基于DNA含量的流式分選技術(shù)對(duì)單倍體加以富集和維持，極大限制了單倍體細(xì)胞更為廣泛的應(yīng)用。研發(fā)有效抑制單倍體細(xì)胞二倍化的策略迫在眉睫。
帥領(lǐng)表示：“基于前期的積累和經(jīng)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡的發(fā)生可能是單倍體細(xì)胞發(fā)生二倍化的一個(gè)核心因素。因此，我們?cè)O(shè)想通過引入外源性的抗凋亡基因BCL2，以期獲得能夠高效維持單倍性的細(xì)胞系?！?/p>
研究中，帥領(lǐng)課題組對(duì)抗凋亡基因——BCL2-OE的haESCs在抗凋亡、基因組穩(wěn)定性和分化發(fā)育潛能等方式進(jìn)行了全面論證，發(fā)現(xiàn)BCL2-OE可有效提高細(xì)胞在多種嚴(yán)苛條件下的抗凋亡和單倍性維持能力，并且不影響其胚胎干細(xì)胞增殖分化的潛能。
在此基礎(chǔ)上，研究人員系統(tǒng)比較了BCL2-OE和野生型單倍體胚胎干細(xì)胞在日常培養(yǎng)、擬胚體分化、嵌合胚胎和畸胎瘤形成中的單倍體維持能力，發(fā)現(xiàn)與野生型單倍體相比，BCL2-OE可以極大幅度提高其單倍性維持的能力，首次實(shí)現(xiàn)在E10.5嵌合胚胎中檢測到很高比例的單倍體細(xì)胞貢獻(xiàn)。后期基于轉(zhuǎn)錄組測序的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)BCL2-OE有效激活了透明質(zhì)酸合成酶基因Has2的表達(dá)，并通過miR26b-Has2-HA-Caspase調(diào)控途徑提高細(xì)胞的抗凋亡能力和單倍性維持能力。在單倍體胚胎干細(xì)胞中過表達(dá)Has2同樣可以高效維持單倍性。
“這項(xiàng)工作不僅證實(shí)了單倍體胚胎干細(xì)胞在理論上可以單倍體的形式分化到任意一種細(xì)胞類型，也全面推動(dòng)了單倍體篩選系統(tǒng)在更多種類的細(xì)胞類型中進(jìn)行譜系特異性篩選的發(fā)展?！睅涱I(lǐng)說。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/cpr.13498
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