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中科院猪克隆效率提高7倍

2020-01-14 点击:692

1997年,克隆羊多莉出生了。在接下来的21年里,已经成功克隆了20多种动物。在寻求打破新物种壁垒的同时,科学家们仍在不懈努力解决另一个问题:克隆的低效率。

近日,中国科学院广州生物医学与健康研究所赖梁雪研究小组在猪体细胞克隆方面取得了新进展:克隆效率将提高7倍。相关结果发表在美国科学杂志《干细胞报告》(干细胞报告)上。

阮德功,该论文的第一作者,在接受澎湃新闻()采访时说,“克隆在本质上不是一个自然过程,它是一个人工过程,所以克隆效率会非常低。即使它像新获得的克隆猴子,在现阶段克隆效率也不高,全世界只有两个成功案例。”

XIST基因的靶向失活

所谓的克隆是体细胞核移植(SCNT)。研究人员需要将一种体细胞注射到卵子中,培养后从卵子中去除遗传物质,并将其移植到代孕母亲体内,通过人工方法激活后发育成个体。

“事实上,体细胞的特殊重编程机制至今尚未完全了解,重编程系统仍需改进。体细胞是高度专业化的细胞。为了将它们转变成胚胎样细胞,必须改变它们自身的特性。在这个转化过程中,会遇到许多问题,这就是所谓的重编程障碍。”阮德功说。

以克隆猴子为例。中国科学院上海神经科学研究所孙强小组成功获得的克隆猴体细胞来自胎儿成纤维细胞,而成年猴体细胞克隆猴出生后不久死亡(分别为出生后3小时和30小时)。针对这一现象,同济大学生命科学与技术学院院长高绍荣评论道,“这也反映出当前克隆技术还远未完善,我们需要进一步探索重编程机制。”

对猪来说,赖梁雪的研究小组在多年对克隆猪的研究中发现,在猪的克隆胚胎被转移给代孕母亲后,大多数胎儿会退化,其机制仍不清楚。阮德功提到,“此前克隆效率基本不到1%。”

研究小组的最新研究集中在体细胞重编程过程中的两个障碍上。阮德功说,“一方面,在X染色体上的长链非编码核糖核酸XIST是重编程的一大障碍。”

研究小组通过基因编辑技术使XIST基因失活。“我们将530个XIST敲除克隆胚胎和953个对照胚胎移植到5个代孕母亲体内,XIST敲除胚胎生产了11头猪,但只有3种野生型,因此克隆效率分别为2.07%和0.3%”

这也意味着通过敲除XIST基因,猪的克隆效率提高了约7倍。

这两种重编程障碍是如何关联的?

研究小组关注的另一个主要重编程障碍是成体细胞的表观遗传修饰,如H3K9me3甲基化。阮德功提到,“成年细胞胚胎中表达的基因是沉默的。这种基因沉默依赖于这些表观遗传因素,但是胚胎发育所需的基因应该在重编程过程中重新开放。”

研究人员发现,如果XIST基因被敲除,它可以提高猪的克隆效率。同时,他们还发现胚胎中H3K9me3甲基化的抑制也会下调。这也意味着猪克隆的效率越高,H3K9me3的甲基化水平越低。

接下来,研究人员通过将H3K9me3脱甲基酶注射到未被剔除XIST基因的克隆胚胎中,积极降低H3K9me3的甲基化水平,以观察猪的克隆效率是否会提高。

”将这些胚胎移植到体内并没有提高整体克隆效率,因此在XIST基因和H3K9me3甲基化之间建立了联系。XIST基因本身受到H3K9me3甲基化的抑制。如果H3K9 me3的甲基化水平被主动降低,这相当于消除它对XIST基因的抑制。这将最终抑制猪胚胎的重编程和体内发育。”阮德功说。

值得注意的是,这是研究小组首次阐明XIST基因与猪H3K9me3甲基化的相关性。

大型动物克隆研究

回到研究小组的初衷,即提高猪克隆的克隆效率。阮德功提到,“这实际上是所有物种的共同问题”。然而,由于资源限制等因素,大型动物克隆的研究尤为困难。“目前,所有的研究都集中在老鼠身上。世界上很少有实验室能对大型动物进行研究。范围和深度有限,对大型动物的了解还不够。”

以阮德功在本次研究中使用的猪为例,“克隆猪的研究必须有一个配套的养猪场,这不像老鼠那么简单。此外,猪的实验周期相对较长。研究人员需要支付大量费用,结果很慢。例如,老鼠可以在一个月内产下一轮,而猪需要三个月以上。新获得的克隆猴子在这方面更加困难。周期比猪长。它们不像猪一样有多胎,而是只有一胎。”

阮德功坦率地说,“仍然很难得到一个可以发表的结果,所以对大型动物克隆的研究必须有强有力的支持。”

阮德功说,目前克隆猪主要用于提供疾病模型,作为异种移植和农业育种的供体。

猪有天然优势,特别是在异种移植方面。

猪在一万多年前被人类驯养。其生理指标、代谢系统和基因相似性与人类相似。它的器官大小和功能也与人体器官高度相似,包括肾脏、心脏、肝脏、胰岛细胞、皮肤和角膜等器官和组织,它们是可以移植到人体内的最佳异种器官。

此外,猪具有繁殖快、无伦理争议的优点,目前被认为是解决人体器官短缺的理想捐赠者。

2017年12月,中国西南部的生物多样性实验室(Biodiversity Laboratory)产下了世界上第一批内源性逆转录病毒失活的猪,这也意味着猪异种移植的最大障碍,即猪内源性逆转录病毒引起的安全问题和排斥已经消除。当时,研究小组预计到2020年实现猪到人器官异种移植。

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