胚胎幹細胞研究最新進展
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2018年11月29日/生物谷BIOON/---胚胎幹細胞，是一種具有持久更新能力的細胞，它能夠或發育成幾乎所有人類的各種組織或器官，故其在醫學上具有非常重要的研究價值與應用前景。 人胚胎幹細胞是在人胚胎髮育早期——囊胚(受精後約5—7天)中未分化的細胞。囊胚含有約140個細胞，外表是一層扁平細胞，稱滋養層，可發育成胚胎的支持組織如胎盤等。中心的腔稱囊胚腔，腔內一側的細胞群，稱內細胞群，這些未分化的細胞可進一步分裂、分化，發育成個體。內細胞群在形成內、中、外三個胚層時開始分化。每個胚層將分別分化形成人體的各種組織和器官，如外胚層將分化為皮膚、眼睛和神經系統等，中胚層將形成骨骼、血液和肌肉等組織，內胚層將分化為肝、肺和腸等。由於內細胞群可以發育成完整的個體，因而這些細胞被認為具有全能性。當內細胞群在培養皿中培養時，我們稱之為胚胎幹細胞。
通常人胚胎幹細胞的來源有四種：選擇性流產的人類胚胎組織;治療不孕症夫婦不需要的由體外受精產生的人類胚胎;由捐獻者專門為研究所捐獻的配子由體外受精產生的人類胚胎;由體細胞核移植技術將人體細胞核移植入人或動物的卵泡內產生人類胚胎或嵌合體胚胎。
小編針對近年來胚胎幹細胞研究取得的最新進展進行一番盤點，以饗讀者。
1.Cell Stem Cell：重磅!我國科學家在全球首次實現哺乳動物孤雄生殖
doi:10.1016/j.stem.2018.09.004
在過去十年左右的時間裡，科學家們已通過操縱印記基因組區域---在那裡，DNA的表觀遺傳修飾將某些基因的表達限制在一個親本的拷貝中---培育出由兩隻雌鼠作出遺傳貢獻的小鼠幼仔。如今，在一項新的研究中，來自中國科學院動物研究所、中國科學院幹細胞與再生醫學創新研究院、中國科學院大學和東北農業大學的研究人員對之前通過利用兩隻雌鼠培育出看似能夠正常生長的小鼠(所產生的這些小鼠能夠活到有它們自己的幼仔)的研究進行改進。他們採用一種類似的策略構建出由兩隻雄鼠產生的胚胎，不過它們的後代在出生後不能夠存活很長時間。相關研究結果於2018年10月11日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions」。論文通信作者為中國科學院動物研究所胡寶洋(Bao-Yang Hu)研究員、周琪(Qi Zhou)研究員和李偉(Wei Li)研究員。
圖片來自Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2018.09.004。
這些研究人員發現利用在兩個印記基因組區域中發生基因缺失的孤雌單倍體胚胎幹細胞培育出的雙母親小鼠在行為測試中表現異常並且具有較小的身材。為了讓它們更接近於正常的小鼠，他們隨後剔除了位於Rasgrf1基因上游的第三個長12.1kb的印記基因組區域。他們選擇Rasgrf1基因是因為它在野生型成年小鼠和雙母親成年小鼠的大腦中差異性地表達。很顯然，他們的選擇是正確的。由此產生的雙母親小鼠後代正常地生長，而且在行為測試中與對照小鼠沒有差別。
為了解決雙父親胚胎的問題，這些研究人員回到了他們在2012年完成的那項研究(Nature, 18 October 2012, doi:10.1038/nature11435)，在那項研究中，他們通過將精子注射到沒有細胞核的卵子中而構建出孤雄單倍體胚胎幹細胞(androgenetic haploid embryonic stem cell, ahESC)。當他們將其中的一個孤雄單倍體胚胎幹細胞和另一個精子插入到新鮮的沒有細胞核的卵子中時，胚胎髮育開始發生，但這些胚胎在第8天左右停止生長，此後不久胎盤也停止生長。
因此，這些研究人員轉向了一種稱為四倍體胚胎互補(tetraploid complementation)的技術，這種技術促進由胚胎幹細胞產生的胚胎中的胎盤發育。他們從雙父親胚胎中獲得二倍體胚胎幹細胞，在讓這些二倍體胚胎幹細胞長成胚泡(blastocyst)後，他們將另一個孤雄單倍體胚胎幹細胞注入胚泡中。
即使採取了額外的步驟，這些研究人員也必須剔除7個之前已經證實影響胚胎髮育的印記基因組區域，才能成功培育出雙父親小鼠幼仔。僅少剔除一個印記基因組區域就會導致所產生的雙父親小鼠幼仔在出生後因呼吸問題而快速地死亡，它們在體重上是野生型小鼠幼仔的兩倍並且全身腫脹。缺失這7個印記基因組區域的雙父親小鼠幼仔仍然比野生型小鼠幼仔略大，並且在出生後不久就死亡，不過其中的兩隻雙父親小鼠幼仔的壽命超過48小時。
2.BioRes：鑒定出維持幹細胞多能性的關鍵性因子BRG1
doi:10.1089/biores.2013.0047
對成體細胞進行重編程讓它們返回到一種未分化的多能性狀態，為人們開發出新的細胞療法奠定基礎。這個領域的加快發展將依賴於鑒定出促進多能性的因子。在一項新的研究中，來自德國明斯特大學和馬克斯-普朗克分子生物醫學研究所的研究人員就鑒定出這樣的一種被稱作Brg1的蛋白因子。相關研究結果發表在BioResearch Open Access期刊上，論文標題為「BRG1 Is Required to Maintain Pluripotency of Murine Embryonic Stem Cells」。
在這項研究中，論文通信作者Nishant Singhal和同事們證實蛋白Brg1在調節參與維持胚胎幹細胞多能性的一個基因網路內的部分基因中發揮著關鍵性作用。這個相同的基因網路是開發成體細胞重編程方法的靶標。
3.Sci Rep：人類胚胎幹細胞為何能長生不老?
在培養液中幹細胞被認為是長生不朽的，因此其常常成為了眾多科學家們從事機體老化研究的熱門對象，增加蛋白質穩態(proteostasis)被認為能夠調節幹細胞的不朽特性，而蛋白質穩態同時還能控制蛋白質的質量，近日，來自科隆大學的研究人員通過研究發現蛋白質穩態的增加和人類胚胎幹細胞長生不老特性之間的關聯，相關研究成果刊登於國際雜誌Scientific Reports上。
誘發這類幹細胞長生不老的其中一種機制就是「垃圾處理系統」—蛋白酶體，其是蛋白質穩態網路中的關鍵點。蛋白酶體系統的關鍵就是所謂的E3泛素連接酶，這些酶類能夠標記蛋白質，促進其降解來維持細胞處於健康狀態，研究者Isabel Saez Martinezfrom說道，這就好像給它們貼標籤，標記一些沒有功能的東西一樣;我們對600多個蛋白質進行了系統性地篩選，最後縮小範圍至30個E3泛素連接酶，當發現這些連接酶後，利用CRISPR和RNAi技術就能夠降低E3連接酶的水平。
4.PNAS：長達35年 科學家們終於從奶牛體內成功分離到了胚胎幹細胞!
35年來，科學家們一直嘗試從奶牛中分裂胚胎幹細胞，但均未成功，在合適的條件下，胚胎幹細胞能夠無限增殖，同時會分化成為任何一種細胞類型或組織，這或許對於培育轉基因超級奶牛具有一定的影響。
近日，一項刊登在國際雜誌Proceedings of the National Academy of Sciences上的研究報告中，來自加利福尼亞大學的科學家通過研究開發了一種新型培養系統，其能夠幫助研究人員有效獲得幹細胞。
利用大型家畜(比如牛)來獲取胚胎幹細胞對於遺傳檢測、基因組工程學研究以及人類疾病的研究都非常關鍵，這些細胞能夠提供人類幹細胞療法的最佳模型，然而小鼠和大鼠因為體型過小所以無法有效闡明是否特定的療法能夠安全有效地應用於人類機體中。
5.FASEB J：利用人胚胎幹細胞開發出人工程心臟組織
doi:10.1096/fj.13-228007
科學家們有可能開發出人心臟的組織模型。其他器官的組織模型都已存在，但是對於人心臟而言，這一直很難實現。在一項新的研究中，研究人員利用人胚胎幹細胞培養出的工程心臟組織具有顯著類似於人心肌的肌肉。相關研究結果近期發表在FASEB Journal期刊上，論文標題為「Advancing functional engineered cardiac tissues toward a preclinical model of human myocardium」。
Costa和同事們在體外培養人工程心臟組織(human engineered cardiac tissue, hECTs)7到10天之後，它們自我組裝成長且薄的心肌條帶(heart muscle strip)，並導致它們在每次心跳中發生彎曲，這樣就在這種培養過程期間高效地鍛煉這種組織。這些hECTs表現自發性的收縮活性，平均每分鐘跳動70次而類似於人心臟。它們也對電刺激作出反應。在功能性分析時，已知一些在天然的成年人心臟中發生的反應也可通過電介入和藥物介入而在hECTs中誘導出，儘管hECTs的一些看似矛盾的反應更加密切地類似於未成熟的或新生的人心臟。他們也發現這些人工程心臟組織能夠整入腺病毒攜帶的新的遺傳信息。
6.Nature：構建出一種可逆的突變的小鼠胚胎幹細胞生物庫
doi:10.1038/nature24027
來自奧地利、英國、瑞士和德國的研究人員開發出可逆的突變的胚胎幹細胞生物庫。這種被稱作Haplobank的細胞庫含有10萬多種突變的條件性的小鼠胚胎幹細胞系，靶向大約70%的蛋白編碼基因組(將近1.7萬個基因)。相關研究結果發表在2017年10月5日的Nature期刊上，論文標題為「A reversible haploid mouse embryonic stem cell biobank resource for functional genomics」。論文通信作者為奧地利科學院分子生物技術研究所(IMBA)的Ulrich Elling和Josef Penninger。
圖片來自Nature, doi:10.1038/nature24027。
Elling解釋道，「Haplobank是所有科學家都可利用的，它代表著迄今為止規模最大的突變的半合子胚胎幹細胞系庫。這種資源克服了克隆變異帶來的問題，這是因為突變在幹細胞水平和全基因組水平上能夠得到修復。」
作為一種概念驗證，這些研究人員開展基因篩選以便發現鼻病毒(導致普通感冒的病毒)感染所需的因子。他們發現鼻病毒需要一種之前未知的宿主細胞因子，即磷脂酶A2G16(PLA2G16)，來殺死細胞。再者，他們證實PLA2G16的一個特定的結構域是感染所必需的，而且可能是一種有吸引力的藥物靶標。有趣的是，近期已證實PLA2G16是相關的病毒(包括脊髓灰質炎病毒)成功感染宿主細胞所必需的。
7.Stem Cell Rep：利用胚胎幹細胞獲得更多β細胞
doi:10.1016/j.stemcr.2017.08.009
最近來自哥本哈根大學和諾和諾德製藥公司的研究人員共同在國際學術期刊Stem Cell Reports上發表了一篇文章，該研究為如何利用人類胚胎幹細胞獲得更多β細胞提供了更好的見解。
「目前科學家們已經可以將幹細胞誘導分化成類似β細胞的細胞類型，而我們的研究則表明現在所使用的方法製備出的細胞更像是α細胞，不過這仍然幫助我們進一步理解了該如何將幹細胞誘導成β細胞。事實上，我們也證明了幹細胞可以沿著不同的路徑進行發育，最終產生同一種類型的β細胞。」諾和諾德幹細胞生物學研發中心的Anne Grapin-Botton教授這樣說道。
在這項研究中，科學家們分析了通過不同途徑向β細胞分化的600個不同細胞，並對每一個細胞進行了檢測分析它們與β細胞在分子水平上的相似度。通過這種方法研究人員對發育過程中的重要基因有了更多了解，其中NXK6.1和MNX1這兩個基因在分化成β細胞的細胞類型中被激活。
8.Nature：利用胚胎幹細胞從頭構建定製的大腦區域
在一項新的研究中，來自美國波士頓兒童醫院和加州大學舊金山分校的研究人員描述了一種新方法來構建定製的小鼠模型來研究大腦。首先，一種天然的毒素可用於在小鼠胚胎中殺死通常生長在前腦中的年輕腦細胞。隨後就可利用經過基因改造的含有研究所需的特定遺傳修飾的胚胎幹細胞重建小鼠正在發育中的前腦。相關研究結果於2018年10月10日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Neural blastocyst complementation enables mouse forebrain organogenesis」。
這種「前腦替換(forebrain substitution)」導致遺傳學特徵受到嚴格控制的功能齊全的小鼠幼仔，從而允許科學家們能夠在更大程度的控制下研究特定基因如何影響大腦疾病。
論文共同通信作者、波士頓兒童醫院細胞與分子醫學項目主任Fred Alt博士說，「我們認為這種策略是神經生物學家研究大腦許多方面的一種全新平台，從哪些基因控制大腦發育的基本知識到可能為腦癌和精神疾病尋找新的基因療法。」
論文共同通信作者、Alt實驗室的前實習生Bjoern Schwer博士說，「攜帶著由胚胎幹細胞產生的大腦區域的小鼠在記憶和學習任務方面與正常小鼠是沒有區別的。」
9.Nature：胚胎幹細胞在體外自我組裝成胚胎樣結構
哺乳動物身體的結構在胚胎植入子宮後不久就已建立。身體的前後軸、背腹軸和中間外側軸在協調胚胎的各個區域中的DNA轉錄的基因網路的調節下便已確定了。如今，在一項新的研究中，來自瑞士日內瓦大學、洛桑聯邦理工學院和英國劍橋大學的研究人員報道了小鼠胚胎幹細胞產生表現出類似能力的偽胚胎(pseudo-embryo, 即胚胎樣結構)。相關研究結果於2018年10月3日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids」。
這些被稱作類原腸胚(gastruloid)的結構僅由大約300個胚胎幹細胞組成，表現出具有與6至10天齡胚胎後部相似的發育特徵。這項研究表明，三個主要的胚胎軸是根據類似於胚胎的基因表達程序形成的。因此，類原腸胚有重大的潛力用於研究哺乳動物正常或病理性胚胎髮育的早期階段。
因難以獲得早期哺乳動物胚胎，對協調它們形成的過程進行研究是很難開展的。英國劍橋大學遺傳學系教授Alfonso Martinez Arias及其團隊近期發現，在某些條件下，小鼠胚胎幹細胞能夠組裝成三維聚集體，這種三維聚集體在體外培養時持續伸長。這些被稱為「類原腸胚」的實體顯示出胚胎髮育早期階段的不同特徵。
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