近日，關(guān)于世界上僅剩兩頭北部白犀牛的報道引發(fā)了人們對于瀕危動物的關(guān)注。如何拯救瀕危動物，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。

哺乳動物的早期胚胎發(fā)育是一個動態(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)建疾病模型和推動干細(xì)胞療法，同時在異種器官移植和瀕危動物保護(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)接受科技日報記者采訪，詳細(xì)介紹了相關(guān)情況。

在多個物種間建立中間態(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。”顧穎向科技日報記者介紹。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)同時激活了3條信號通路，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)育而來的動物，在發(fā)育的過程中，一部分細(xì)胞會形成胚外組織，如胎盤;而另一部分細(xì)胞會發(fā)育成最終的胚胎。”顧穎介紹，在囊胚期時，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。

在這個時期，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)必須與胚胎所處時期相似，過早或過晚都會影響嵌合胚的形成。

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因子，來調(diào)控不同的信號通路，最終從鼠、馬等哺乳動物中得到了穩(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)