绕开生殖隔离：创造哺乳动物异种杂合二倍体胚胎干细胞.docx

1、姗螂岫岫珈瞬椰中国科学院动物研究所研究员李伟中国科学院动物研究所博士后王加强中国科学院院士、中国科学院动物研究所所长周琪近35亿年前地球上出现了生命。时间推移，生命在不断发展演化，演化出形形色色、千奇百怪的物种。随着基础生物学的发展，我们认识了遗传物质，认识了基因组和基因。物种多样性形成的一个重要原因是千变万化的基因组，以及错综复杂的基因调控。想要探寻生命的本质，理解不同物种的基因组及其调控差异是生物学研究要解决的最根本问题之一。调控基因获得杂交遗传优势物种间杂交是研究这一问题的重要模型，在进化生物学、发育生物学和遗传学中应用广泛。“杂交优势”是一个广为人知的概念：袁隆平利用“杂交优势”培育出

2、更具优良性状的水稻，极大地推动r农业育种的发展，为粮食持续稳定增产作出了卓越贡献；马和驴杂交产生的骡子继承了马和驴的优势，同时具有更好的耐力，是民间重要的畜力来源。物种间杂交个体之所以具有独特的生物学性状（如杂交水稻高产耐旱，骡子耐力强等），是因为他们具有独特的杂合遗传背景。因而杂交个体也成为研究物种形成、基因调控进化和x染色体失活等重要生命科学问题的重要模型。同时，随着再生医学的发展，异种器官再生成为一个重要研究方向。科学家们正在紧锣密鼓地研究如何利用人干细胞系及器官缺陷的小型猪等受体生产人类器官。物种间的差异、物种的进化、物种间基因调控的进化等科学问题，是这条再生之路再造人体器官的阻碍，因

3、此我们急切地想要破解物种间，尤其是哺乳动物物种间基因组差异及调控差异的本质。在漫长的进化过程中，不同物种之间独立进图|大鼠与小鼠间的生殖瞬离化，出现了生殖隔离。从环境角度看，两个物种不能交配是因为存在地理隔离、生态隔离、季节隔离、生理隔离、形态隔离和行为隔离等，但当科学家们将不同物种共同饲养时，才发现生殖隔离是基因组在进化上的差异造成的。最常见的是精子与卵子相互不能识别，因此无法完成受精，即使通过单精子卵胞质注射技术辅助，进成果I入卵子的精子也是“对面无缘不相逢”，不能启动有效发育。比如实验室钟爱的模式动物大鼠和小鼠，无法自然交配、人工辅助受精后发育阻滞于2-细胞阶段、将大鼠的基因组转移到去核

4、或不去核的小鼠受精卵中均不能完成早期发育（见图1）。种间杂交在少数近亲物种间是有概率发生的，比如马和驴杂交产生骡子，狮子和老虎杂交产生狮虎兽等。但生殖隔离依然存在，因为存在杂种不活、杂种不育和杂种衰败等现象。科学家们为了生物学研究的便利，创造出各类远亲物种间的杂合细胞，如小鼠一大鼠、人一啮齿类、人一牛等杂交细胞，将物种进化的研究“转移”到培养皿里。但是，由于这些细胞都是由两个体细胞经过细胞融合产生的，因而都是四倍体的，表现出基因组不稳定的现象，往往出现大量的染色体丢失。另外，这些融合细胞由于染色体不兼容，复制和分化都出现了极大的问题，因此并不能很好开展基因组进化相关研究。另辟蹊径创造二倍体杂合

5、细月既然哺乳动物细胞对外源染色体产生严重排斥，那么仅仅携带一条外源染色体能不能被接纳呢？研究表明，将人的一条21号染色体导入小鼠是可行的，科学家们获得了这种“21三体”小鼠模型。虽然只有一条外源染色体，但通过对这条人源染色体的基因表达调控的研究，科学家们初步探索了基因表达调控的进化规律。既然哺乳动物细胞对染色体倍性容忍度很差，不像植物细胞那样耐受多倍体（如小麦是六倍体，无籽西瓜是三倍体等），那么，能否绕开生殖隔离的屏障，创造出哺乳动物远亲物种间的二倍体杂合细胞呢？中国科学院动物研究所周琪和李伟课题组合作，首次开发了新的途径实现了这一想法。二倍体倍性是有性生殖的结果：精子一套染色体，加卵子一套染

6、色体，构成了后代细胞的二倍体倍性。要想获得不同物种融合的杂合二倍体只需两步，第一步是获得不同物种来源的单倍体细胞，第二步是通过细胞融合获得二倍体杂合细胞。周琪和李伟课题组首先通过哺乳动物单倍体Studyofspecies>specificphonotypesapecie?rbiascdphenotypeinAdESC«DifferentialgrwregulationbetweenMpccion图2通过将单倍偷胚胎干细胞融合而产生大一小鼠异种杂合二倍偷胚胎干细胞的流程和研究示意图胚胎干细胞技术，获得了只含有一套染色体的单倍体胚胎干细胞，包括4种细胞系：小鼠或大鼠的孤雌单倍体胚胎

7、干细胞（卵子来源）以及小鼠或大鼠的孤雄单倍体胚胎干细胞（精子来源）。然后利用孤雄单倍体干细胞可以替代精子、孤雌单倍体干细胞可以替代卵子的特征，通过细胞融合技术将小鼠孤雄（雌）和大鼠孤雌（雄）单倍体干细胞融合，从而绕开了小鼠和大鼠的精卵融合后无法启动受精及发育的生殖隔离障碍，获得了异种杂合二倍体胚胎干细胞（见图2）。该技术创造性地突破了生殖隔离所导致的远亲物种间无法获得二倍体细胞的障碍，所获得的二倍体细胞系不仅解决了倍性问题，而且由于其含有全套的大鼠和全套的小鼠染色体，成为研究基因组进化、基因组调控进化、异种基因组进化等前沿生命科学问题的利器。周琪和李伟课题组对这类异种杂合二倍体细胞系进行了分析

8、。研究表明，其具有胚胎干细胞的多能性特征：碱性磷酸酶染色呈阳性；高表达OCT4.SOX2等多能性核心基因；畸胎瘤具有三胚层分化能力；二倍体嵌合可以参与全身各个器官的发生，并发育为各种终末分化的体细胞;二倍体嵌合可以参与到生殖系发育，甚至能够分化形成早期的生殖细胞。该杂交细胞在培养和分化过程中保持异种二倍体基因组的稳定性，染色体个数不变，目.不会发生染色体片段缺失、增加、倒位、异位等畸变。对大鼠一小鼠二倍体杂交细胞进行了深入的基因表达分析表明，这种异种杂合二倍体细胞展现出“高亲”“低亲”“超高亲”“超低亲”等独特的基因表达模式。对其多能性性状进行分析，发现其适应培养基的细胞表现更偏向小鼠胚胎细胞

9、，但也具右大鼠胚胎细胞易于分化的特点，这种独特的融合表型，正是-种“杂交优势”的体现，这表明，这类新型的细胞是研究物种进化机制的独特模型，开启广'培养1111内”研究哺乳动物物种进化的新模式。通过该“培养皿内”的异种杂合细胞模型，周琪和李伟课题组对多能性性状进行了深入研究，利用转录组高通代测序分析，高效地挖掘出了物种间多能性性状差异的部分分子调控机制，这对提仰出他物种胚胎F细胞的多能性具有深刻地借鉴意义。此外，研究组对该杂交细胞内的x染色体失活现象进行r分析，发现其x染色体失活并不采用哺乳动物常见的“随机失活”模式，而是采用小鼠X染色体特异失活的模式。研究组利用“杂交优势”理论分析出一

10、系列靶基因，为哺乳动物X染色体失活研究另辟蹊径。同时他们利用小鼠x染色体特异失活这一特性，系统地鉴定了小鼠x染色体失活逃逸基因，揭示Kx染色体失活和失活逃逸的新方式和新机制。相关成果于2016年在国际期刊CelLh发表。这项成果是世界首例人创建的、以稳定二倍体形式存在的含有大鼠和小鼠两个物种全:套染色体的异种杂合胚胎细胞。同时该研究建立了一种新方法，能够创造出全新的哺乳动物细胞类型哺乳动物异种杂合二倍体F细胞。这极大地推动r遗传和物种进化研究在哺乳动物水平开展，而不再局限于植物及低等动物。大鼠一小鼠二倍体杂交细胞是“培养皿内“物种进化研究的新模型，可以高效地在细胞水平、基因水平、基因表达调控水平上进行物种比较进化研究，同时为研究异种基因组的调控差异和兼容性提供了新的途径，也为发育生物学和遗传学等研究提供K全新的模型和发现基础。随着Hi-C等三维基因组技术的发展，大鼠小鼠二倍体杂交细胞更显独特魅力：大鼠和小鼠在基因水平既同源性很仰J，乂含有足以区分来源的SNP位点，因此是研究同源基因间的空间£作及调控用作的绝佳材料，也使得深入验证顺反式基因表达调控模型成为可能。可以预见,这类新技术和新的细胞类型的建立,将在术来催生出更多的生物学新发现。I作者简介I周琪，中国科学院院士，中国科学院动物研究所研究员、所长，中国科学院干