单倍体胚胎干细胞简介及研究进展

◎罗拥政 姚明秀 陈佳慧

单倍体胚胎干细胞简介及研究进展

◎罗拥政 姚明秀 陈佳慧

单倍体胚胎干细胞只含有一套染色体，和二倍体相比，前者更加适合对生物体的隐性形状进行研究。近年来单倍体胚胎干细胞技术取得了很大突破与进展，包括哺乳动物单倍体胚胎干细胞的获得以及孤雌和孤雄单倍体胚胎干细胞系的建立。单倍体胚胎干细胞的研究在分子、细胞和个体水平上都有相关应用，在批量生产嵌合体动物、大规模繁育良种动物、治疗人类生殖或遗传疾病等方面前景良好。

近年来，单倍体胚胎干细胞(haploid embryonic stem cells, haESCs)的研究得到了非常广泛的关注。单倍体胚胎干细胞是指只含有一套染色体，但其克隆形态、分化潜能等与正常二倍体干细胞相似。根据诱发方式不同，分为孤雌单倍体胚胎干细胞（parthenogenetic haploid embryonic stem cells, PG-haESCs）和孤雄单倍体胚胎干细胞（androgenetic haploid embryonic stem cells, AG-haESCs）两种类型。和二倍体干细胞相比，前者更适合对生物体的隐性形状进行研究。HaESCs的研究有利于全面开展药物研发工作，同时利用建立模型调控生殖与发育过程等，因此在生物发育、辅助生殖、药物研发等研究中具有重要的应用价值。本文就HaESCs技术的突破与进展、研究应用及展望加以综述。

单倍体胚胎干细胞技术突破与进展

HaESCs的研究始于20世纪80年代，Kaufman等人顺利获得小鼠胚胎干细胞系之后，又尝试获得HaESCs，但是培育出的胚胎干细胞系都表现出了二倍体核型。

2009年新加坡国立大学的Yi等以青鳉鱼作为模式动物，构建了青鳉鱼的HaESCs细胞系，并将HaESCs的细胞核成功移植到未受精的卵细胞中，培育出的后代全部存活。这项研究不仅证明了脊椎动物可以在体外条件下培育单倍体细胞，也证实了青鳉鱼的HaESCs细胞系能够很好的进行嵌合生殖。

2011年Leeb等通过特殊处理的培养液对激活后的孤雌卵母细胞进行培育，进一步建立了基于哺乳动物的PG-haESCs细胞系，第一次培育出了有关哺乳动物的HaESCs，最大程度促进了哺乳动物HaESCs的全面研究。

2012年Yang等选择在小鼠精子头部注入去核卵母细胞，从而获得了人造精子，同时结合流式细胞技术科学创建了源自小鼠的AG-haESCs细胞系，并表明该细胞系可以嵌合生殖系系并顺利培育出后代。

单倍体胚胎干细胞的研究应用

分子水平上的应用。HaESCs的最大优势是可以大范围筛选隐性基因，在正反向遗传学的研究中起到了重要作用，可以通过基因打靶、CRISPR-Cas9技术等方式敲除或敲入基因，让部分基因功能缺失，或通过化学诱导对目的基因进行改造，通过表型改变来研究目的基因的功能和作用。也可建立关于HaESCs突变的数据库，在科学筛选正向遗传的过程中，在突变库中利用体外间接或直接表型选取阳性克隆，同时进行测序，从而顺利得到目的基因。

细胞水平上的应用。HaESCs利于形成相对稳定的细胞水平，同时可对基因进行修饰。研究者在经过基因修饰的单倍体细胞中借助于单精子胞浆内注射技术，成功注入卵母细胞或者囊胚中（类似于人工受精技术），将基因直接遗传给后代，最大程度保证了基因修饰效果。研究表明，即使进行过基因操作，大鼠HaESCs仍能维持单倍体及多能性的特点。

生物个体水平上的应用。可以通过遗传筛选技术利用HaESCs建立动物模型，结合动物个体水平对基因作用积极分析。W.Li等验证了AG-haESCs成功注射卵母细胞，小鼠可以自然分娩获得F1代，还可借助孤雄细胞的靶位基因得到相应的携带源。

HaESCs还可用于辅助个体生殖。卵巢或卵细胞的功能异常是导致生殖障碍的主要原因之一，HaESCs在功能上可替代配子，通过胞质注射等方式获得受精卵，并产生可育的后代。对于卵巢囊肿或其他原因无法提供高质量卵细胞的女性患者，可利用PG-haESCs为她们保留生殖功能提供可能。

单倍体胚胎干细胞研究展望

批量生产嵌合体动物。一些物种具备传统形式的胚胎干细胞却无法产生嵌合体，导致无法得到基因变异的动物，而在其卵母细胞中注入AG-haESCs就能获得。在制备大型动物嵌合体的过程中一般只能借助多世代多次交配繁育，且困难重重。相反，AG-haESCs能够凭借有限的育种次数传递有关的遗传数据，近半数的后代都可以携带以上遗传信息，这样F1代嵌合体的产生速度将大大加快，有利于科学调整生殖机理。

大规模繁育良种动物。在体外哺乳动物遗传培育生殖细胞系中可以推广应用HaESCs，一方面可以解决由于运输困难影响生殖细胞成活的问题，另一方面利用大规模的细胞产量达到生产育种要求，简化了多次传代的工作，对大规模繁育良种动物的遗传优势进行了最大程度的应用，从而建立科学的动物生殖新技术系统。

治疗人类生殖或遗传疾病。在对生殖疾病或疾病治疗与检测的过程中，人类生殖细胞通过个人或群体HaESCs细胞系的建立可以形成不会损害受精卵的实体，有效避免了对人体的损伤，提高了治疗的成功几率。HaESCs具备的筛选隐性基因优势有机融合细胞新技术分析，对于建立模型调控生殖与发育过程以及医疗事业的发展等都将会发挥极大的推动作用。

（作者单位：南京大学金陵学院）