人才强校 | 中国农大韩建永教授团队:“体细胞”变“多能干细胞”助力大家畜生物育种、细胞培养肉等研发

5月16日,《细胞增殖》(Cell Proliferation)在线发表了中国农大韩建永教授团队的研究论文《化学成分明确培养体系下建立猪稳定的无外源整合的诱导多能干细胞》(Generation of stable integration-free pig induced pluripotent stem cells under chemically defined culture condition)。

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本研究利用韩建永教授团队自主创建的猪稳定的多能干细胞培养体系 (3i/LAF) (Cell Research, 2021),获得了来源于猪胎儿成纤维细胞、成年猪耳皮肤细胞等多种组织细胞的稳定的、无外源基因整合iPSCs, 并阐明了抑制WNT信号通路在无外源基因整合的猪iPSCs建系中的必要性, 这显著区别于小鼠和人。所获得的iPSCs在发稿前能够在体外稳定培养超过100代, 并具备多向分化潜能。利用所建立的重编程体系, 该课题组进一步从高龄的稀有地方猪品种成纤维细胞中获得了高质量的无外源基因整合的iPSCs, 可进行高效基因编辑,以基因编辑的iPSCs作为核移植供体细胞所产生的重构胚胎能够在体外发育到囊胚阶段, 具备产生核移植个体的潜力 (图1)。

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图1 无外源基因整合iPSCs重编程技术程序
A图为重编程模式图;B图为PEFs向iPSCs转变过程;C图为建立的稳定的iPSCs系

体细胞中导入OCT4、SOX2、KLF4和C-MYC 4个因子能够重编程获得与胚胎干细胞生物学特性相似的诱导多能性干细胞 (iPSCs),在人类再生医学和家畜育种等领域具有巨大的应用潜力。近15年来,iPSCs研究在小鼠和人上取得较好进展,但在大家畜上,稳定的、无外源基因整合的iPSCs的高效获得一直是领域难题,这极大的限制了iPSCs在大家畜保种、育种及细胞培养肉研发等领域的应用。

上述研究建立在韩建永教授课题组10年来大家畜多能干细胞研究的基础上, 课题组长期致力于研究体细胞重编程的调控机理和大家畜多能干细胞培养体系创建。课题组先后发现了Tbx3、Rab32、Mthfd2以及IRF1等能够提高iPSCs质量的因子(Nature, 2010; Stem Cell Reports, 2020; Stem Cell Research & Therapy, 2020; Biology of Reproduction, 2023), 在此基础上,突破了40年来大家畜稳定多能干细胞建系技术国际难题,创建了具有自主知识产权的猪稳定上胚层干细胞培养体系,研制了连续多次基因编辑克隆动物技术体系(Cell Research, 2021)。

本研究建立的无外源基因整合的iPSCs具有广阔应用前景:

一是助力濒危猪种质资源保存。猪的基因多样性属于不可再生资源, 濒危猪能够为育种提供更多的基因库, 濒危猪的保护是智慧育种的重要组成部分。由于濒危猪个体数目较少、资源有限, 这在很大程度上限制了胚胎来源干细胞系的建立。iPSCs技术不依赖胚胎、方便取材、成本更低, 能够在短时间内获得大量无外源基因整合的iPSCs, 为濒危猪种质资源的保存提供了新思路。

二是用于生物育种。本研究建立的无外源基因整合的iPSCs具备稳定的体外长期扩增能力, 基于已知生产性状相关基因或结合基因组选择技术发现新的基因对iPSCs进行特定基因的编辑, 建立多性状聚合猪种, 能够极大的推动育种进程。

三是作为细胞培养肉研制的种子细胞。iPSCs不仅能够在体外长期稳定扩增培养, 而且具备多向分化潜能, 将iPSCs定向分化为肌肉、脂肪等细胞, 能够加速细胞培养肉的研制。

此外, 猪与人在胚胎发育过程、解剖学、心血管系统等领域均存在较大的相似性, 结合基因编辑技术建立复杂医学模型, 能够为医学研究提供技术平台。

该研究得到国家重点研发计划 (2022YFD1302201, 2016YFA0100202)、中国农业大学未来功能食品研发 (SJ2021002004)、国家自然科学基金(31970825, 31772601)、云南省重大科技项目(202102AA10009)等项目资助。中国农业大学生物学院博士生朱倩倩、高登峰、高洁, 云南农业大学硕士生王锋冲为共同第一作者。中国农业大学生物学院韩建永教授和云南农业大学魏红江教授为本文的共同通讯作者。

全文链接:https://doi.org/10.1111/cpr.13487

供稿:生物学院

供图:生物学院

编辑:李杨

责编:马文哲

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