干细胞|破解家畜干细胞不能承受长周期、多次基因编辑难题

家畜干细胞在生命科学基础研究、细胞培养人造肉生产和优良品种培育等方面具有巨大应用前景。自1981年小鼠胚胎干细胞（mESCs）培育成功以来，国内外科学家一直试图建立稳定的、可长期传代的大型家畜胚胎多能干细胞系，但始终未获得成功。
近日，中国农业大学韩建永教授团队联合国内多家单位在该领域获得重大突破，他们成功建立了目前世界家畜干细胞传代次数最多（传代260次以上）、可进行多次基因编辑操作的猪胚胎干细胞系，攻克了猪胚胎上胚层多能干细胞建系的国际难题。该研究成果11月30日在线发表于国际著名学术期刊《细胞研究》上。
绘出猪胚胎第0—14天高质量单细胞转录组图谱
猪既是重要的家畜，也是重要的实验动物，在基础研究、人类疾病模型、异种器官移植等领域用途广泛。针对家畜胚胎上胚层多能干细胞建系困难、传代次数短、难以承受多次基因编辑操作等国际难题，韩建永团队联合四川农业大学、中国科学院动物研究所、中国科学院北京基因研究所、东北农业大学等单位，以猪为模式生物，开展了联合科技攻关，取得家畜胚胎干细胞领域的重大突破。
研究人员从早期胚胎多能性发育调控分子机制入手，攻克猪早期胚胎单细胞分离技术, 首次绘制了猪胚胎第0—14天高质量单细胞转录组图谱, 解析了猪上胚层多能性状态（初始态、中间态和激发态）变化及调控的分子机制。
“基于单细胞数据, 我们创制了猪原肠化前上胚层多能干细胞（pgEpiSCs）培养体系, 成功建立了15株细胞系, 细胞能维持上胚层多能性状态，具有典型干细胞特征，最长传代次数超过260代，是目前世界上已报道的传代次数最多的大动物干细胞系。 ”韩建永说，他们还通过多组学联合分析，鉴定了75个在pgEpiSCs中具有重要功能的转录因子。
“我们通过对pgEpiSCs进行3次不同方式基因编辑，获得来源于pgEpiSCs、出生后存活的基因编辑克隆猪，解决了家畜干细胞难以承受长周期、多次基因编辑的国际难题。 ”韩建永说。
将在细胞培养肉、干细胞育种和模式动物研究等领域广泛应用
专家指出，该成果具有广阔的应用前景。在生命科学基础研究领域，作为一种全新的、稳定的猪胚胎多能干细胞系， pgEpiSCs成功建系开创了家畜多能干细胞研究的新方向。与小鼠相比，猪的胚胎发育和人类更加相似，猪的胚胎干细胞是研究人类胚胎发育更为理想的细胞模型，可为异种器官移植等再生医学研究提供理论依据。
“在细胞培养肉领域， pgEpiSCs可作为未来细胞培养等基于细胞的功能性产品的种子细胞。目前细胞培养肉研制的种子细胞多为肌肉和脂肪细胞的祖细胞，并不具有长期传代增殖能力，这也成为了体外大规模生产细胞培养肉的技术瓶颈。 pgEpiSCs能够在体外长期稳定传代，通过体外大规模培养可获得大量初始细胞，再通过定向诱导分化获得肌肉细胞和脂肪细胞，能解决种子细胞传代时间短等细胞培养肉面临的技术难题。 ”韩建永说。
在模式动物研究领域， pgEpiSCs与基因编辑结合，可用于构建人类疾病模型或抗病猪模型。传统的基于体细胞基因编辑和克隆的技术囿于体细胞难以耐受多次基因编辑，多基因编辑克隆家畜往往难以获得，通常需要采用重复性克隆和重新分离成纤维细胞，达到多基因编辑的目的，周期短、效率低。而实验证实， pgEpiSCs对基因编辑有很好的耐受性，至少可以耐受3次连续的基因编辑，这将大大缩短获得多基因编辑克隆猪的时间。

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