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Nature:重大突破!首次制造出人单倍体胚胎干细胞!

来源:生物谷 2016-03-18 10:42

2016年3月18日/生物谷BIOON/--在一项新的研究中,来自以色列耶路撒冷希伯来大学、美国哥伦比亚大学医学中心和纽约干细胞基金会研究所的研究人员成功地产生一种新类型的胚胎干细胞,它只携带单拷贝人类基因组,而不是通常在正常干细胞中发现的两个拷贝人类基因组。相关研究结果于2016年3月16日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Derivation and differentiation of haploid human embryonic stem cells”。

这项研究中描述的这种单倍体胚胎干细胞是首个已知的能够通过细胞分裂产生携带亲本细胞基因组单拷贝的人子细胞。

人类细胞被认为是双倍体的,这是因为它们遗传两套染色体,总共46条染色体,其中23条来自母亲,23条来自父亲。唯一的例外就是生殖细胞(卵子和精子),它们是单倍体细胞,含有一套染色体,即23条染色体。这些单倍体细胞不能通过分裂产生更多的卵子和精子。

之前利用人卵细胞产生胚胎干细胞的努力可导致双倍体干细胞产生。在这项研究中,研究人员促进未受精的人卵细胞发生分裂。他们然后利用一种荧光染料标记DNA,分离出这些单倍体胚胎干细胞,其中它们散落在更多的二倍体细胞中间。

研究人员证实这些单倍体胚胎干细胞是多能性的,这意味着它们能够分化为很多其他类型的细胞,包括神经细胞、心脏细胞和胰腺细胞,同时保持着单套染色体。

论文共同通信作者、耶路撒冷希伯来大学阿兹列里干细胞与遗传研究中心主任Nissim Benvenisty博士说,“这项研究给我们提供一种新类型的胚胎干细胞,它们将对人类遗传和医学研究产生重要影响。这些干细胞将给科学家提供一种新的工具,改善我们对人类发育的理解,以及我们为何是有性繁殖而不是单亲繁殖。”

研究人员能够证实利用可以靶向的仅仅一套基因,人单倍体干细胞可能成为一种用于遗传筛选的强大工具。能够影响单倍体干细胞中的单拷贝基因将有潜力促进生物医学领域(如癌症研究、精准医学和再生医学)的遗传分析。

耶路撒冷希伯来大学阿兹列里干细胞与遗传研究中心博士生Ido Sagi解释道,“使用人单倍体细胞的最大优势之一就是更加容易编辑它们的基因。”在双倍体细胞中,检测单拷贝基因突变的生物学效应是比较困难的,这是因为另一个拷贝基因是正常的,作为备份发挥作用。

鉴于这项研究中描述的单倍体胚胎干细胞与卵细胞供者基因匹配,它们可能能够被用来开发基于细胞的疗法来治疗诸如失明和糖尿病之类的利用基因相同的细胞会提供治疗优势的疾病。这是因为它们的基因内容与生殖细胞相同,所以它们可能也可用于生殖目的。

论文共同通信作者、哥伦比亚大学医学中心儿科发育细胞生物学助理教授Dieter Egli博士说,“这项研究是不同大陆不同研究机构之间合作开展研究的杰出范例。”(生物谷 Bioon.com)

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Derivation and differentiation of haploid human embryonic stem cells

doi:10.1038/nature17408

Ido Sagi, Gloryn Chia, Tamar Golan-Lev, Mordecai Peretz, Uri Weissbein, Lina Sui, Mark V. Sauer, Ofra Yanuka, Dieter Egli & Nissim Benvenisty

Diploidy is a fundamental genetic feature in mammals, in which haploid cells normally arise only as post-meiotic germ cells that serve to ensure a diploid genome upon fertilization. Gamete manipulation has yielded haploid embryonic stem (ES) cells from several mammalian species1, 2, 3, 4, 5, 6, but haploid human ES cells have yet to be reported. Here we generated and analysed a collection of human parthenogenetic ES cell lines originating from haploid oocytes, leading to the successful isolation and maintenance of human ES cell lines with a normal haploid karyotype. Haploid human ES cells exhibited typical pluripotent stem cell characteristics, such as self-renewal capacity and a pluripotency-specific molecular signature. Moreover, we demonstrated the utility of these cells as a platform for loss-of-function genetic screening. Although haploid human ES cells resembled their diploid counterparts, they also displayed distinct properties including differential regulation of X chromosome inactivation and of genes involved in oxidative phosphorylation, alongside reduction in absolute gene expression levels and cell size. Surprisingly, we found that a haploid human genome is compatible not only with the undifferentiated pluripotent state, but also with differentiated somatic fates representing all three embryonic germ layers both in vitro and in vivo, despite a persistent dosage imbalance between the autosomes and X chromosome. We expect that haploid human ES cells will provide novel means for studying human functional genomics and development.

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