近日，關(guān)于世界上僅剩兩頭北部白犀牛的報(bào)道引發(fā)了人們對(duì)于瀕危動(dòng)物的關(guān)注。如何拯救瀕危動(dòng)物，也一直是科學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)，但真正想要做到通過人為方式保留瀕危物種并非易事。

哺乳動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)且復(fù)雜的過程，而胚胎著床后在子宮內(nèi)的發(fā)育進(jìn)一步增加了其研究難度。美國(guó)得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心分子生物學(xué)系助理教授吳軍博士團(tuán)隊(duì)與深圳華大生命科學(xué)研究院顧穎博士團(tuán)隊(duì)，在多個(gè)物種中培育出一種新型干細(xì)胞系，并在此基礎(chǔ)上生成世界首例馬鼠嵌合胚胎。這一發(fā)現(xiàn)加深了人們對(duì)干細(xì)胞研究領(lǐng)域的理解，有益于創(chuàng)建疾病模型和推動(dòng)干細(xì)胞療法，同時(shí)在異種器官移植和瀕危動(dòng)物保護(hù)方面具有極大的應(yīng)用潛力。

4月初，吳軍博士團(tuán)隊(duì)和顧穎博士團(tuán)隊(duì)接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪，詳細(xì)介紹了相關(guān)情況。

在多個(gè)物種間建立中間態(tài)穩(wěn)定干細(xì)胞系

1981年，劍橋大學(xué)生物學(xué)家馬丁·埃文斯和馬修·考夫曼首次報(bào)道了鼠胚胎干細(xì)胞。其后，科學(xué)家們又成功分離出鼠的上胚層多能干細(xì)胞，并將其劃分為原態(tài)(Na ve)和始發(fā)態(tài)(Primed)，分別代表胚胎著床前后的兩種狀態(tài)。胚胎干細(xì)胞處于原態(tài)，而上胚層干細(xì)胞處于始發(fā)態(tài)。

2017年，英國(guó)劍橋大學(xué)干細(xì)胞研究所奧斯汀·史密斯教授首次提出，介于二者之間，可能存在一種新的中間狀態(tài)。這種狀態(tài)的細(xì)胞，應(yīng)和早期著床時(shí)期的胚胎類似，它們既可嵌合到胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，還可在體外進(jìn)行原始生殖細(xì)胞誘導(dǎo)，這一狀態(tài)被命名為始發(fā)前態(tài)(Formative)。但在本次研究之前，科學(xué)界還沒有得到一種具備始發(fā)前態(tài)的主要特性的穩(wěn)定細(xì)胞系。

“此次研究成功獲得了這種理想中的細(xì)胞，可以讓我們更好地研究干細(xì)胞，今后應(yīng)用于科研和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。”顧穎向科技日?qǐng)?bào)記者介紹。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)同時(shí)激活了3條信號(hào)通路，建立了具有始發(fā)前態(tài)特征的穩(wěn)定細(xì)胞系，它同時(shí)具備原態(tài)和始發(fā)態(tài)的一些特征，可直接由原態(tài)轉(zhuǎn)化而來，并且可以直接過渡到始發(fā)態(tài)。

“使用完全相同的培養(yǎng)條件，能夠獲得3個(gè)不同物種的干細(xì)胞是令人興奮的，這意味著這種中間狀態(tài)也許在物種之間更加保守。也許在不遠(yuǎn)的將來，我們能夠獲得來自不同物種的干細(xì)胞，這有助于我們從細(xì)胞及分子水平更好地了解物種間進(jìn)化的差異。”論文第一作者于樂謙博士說。

值得注意的是，這種細(xì)胞系可以高效嵌合，并轉(zhuǎn)化為原始生殖細(xì)胞。根據(jù)其特性，科學(xué)家們將這種全新的全能干細(xì)胞命名為XPSCs。

生成嵌合胚胎的過程充滿創(chuàng)新

“由受精卵發(fā)育而來的動(dòng)物，在發(fā)育的過程中，一部分細(xì)胞會(huì)形成胚外組織，如胎盤;而另一部分細(xì)胞會(huì)發(fā)育成最終的胚胎。”顧穎介紹，在囊胚期時(shí)，這部分能夠發(fā)育成胚胎的細(xì)胞在囊胚中僅約10至20個(gè)。

在這個(gè)時(shí)期，如果將其他物種的干細(xì)胞注射到這些細(xì)胞附近，這些異種細(xì)胞就有可能隨之一起發(fā)育，形成嵌合胚胎。

于樂謙介紹，整個(gè)技術(shù)過程存在諸多難點(diǎn)，包括技術(shù)、胚胎發(fā)育、細(xì)胞層面等。例如注射的細(xì)胞所處狀態(tài)必須與胚胎所處時(shí)期相似，過早或過晚都會(huì)影響嵌合胚的形成。

他們使用完全相同的誘導(dǎo)培養(yǎng)條件，同時(shí)得到其他物種的XPSCs細(xì)胞系，并且從馬和小鼠的胚胎中，分離出胚胎干細(xì)胞系。其中馬的細(xì)胞系，是全球首次分離誘導(dǎo)的馬胚胎干細(xì)胞及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，同時(shí)還產(chǎn)生了世界首例馬鼠異種嵌合早期胚胎，證明馬的多能干細(xì)胞系具有高效的種間嵌合效率。

本研究在嚴(yán)格遵守倫理規(guī)定的情況下，在多個(gè)物種中首次成功建立了具有中間態(tài)特征的穩(wěn)定干細(xì)胞系，獲得了首例馬鼠異種嵌合早期胚胎。這意味著獲得其他物種的嵌合胚胎成為可能，也為將來研究不同哺乳動(dòng)物間體內(nèi)胚胎發(fā)育的差異提供了技術(shù)基礎(chǔ)，有助于從細(xì)胞及分子水平了解物種間進(jìn)化差異。

“通過研究，我們發(fā)現(xiàn)始發(fā)前態(tài)細(xì)胞在物種間相對(duì)更加保守，這意味著通過始發(fā)前態(tài)細(xì)胞，或可更加高效地得到異種嵌合胚胎。”顧穎說，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過不同的抑制劑和生長(zhǎng)因子，來調(diào)控不同的信號(hào)通路，最終從鼠、馬等哺乳動(dòng)物中得到了穩(wěn)定的始發(fā)前態(tài)細(xì)胞。這些細(xì)胞能夠形成嵌合胚胎，并且在體外分化成原始生殖細(xì)胞。

“這種全新多能干細(xì)胞為研究哺乳動(dòng)物多能性以及研究調(diào)控原始生殖細(xì)胞分化的分子機(jī)制開辟了新途徑，而且我們的方法可能廣泛適用于從其他哺乳動(dòng)物物種中獲得更多類似的干細(xì)胞。”吳軍說。

利用這種全能干細(xì)胞可誘導(dǎo)原始生殖細(xì)胞的特點(diǎn)，將其用于瀕危物種的保護(hù)與繁衍，是研究的另一重要亮點(diǎn)。

“在瀕危動(dòng)物保護(hù)領(lǐng)域研究方面，我們目前關(guān)注北部白犀牛的保護(hù)。”吳軍介紹，2018年，世界上最后一頭雄性北部白犀牛死亡引發(fā)全球關(guān)注，目前僅有兩頭雌性北部白犀牛存世。犀牛與馬在進(jìn)化上的差異很小，如果能夠拿到北部白犀牛的干細(xì)胞，并分化成為原始生殖細(xì)胞，就為保存這一物種帶來可能。(趙漢斌)