Cell：“人造精子”基因可加工遗传

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细胞副主编 的评论是, 什么时候能应用于实践?

中国科学家在细胞杂志发表重要论文
Cell：“人造精子”基因可加工遗传
Generation of Genetically Modified Mice by Oocyte Injection of Androgenetic Haploid Embryonic Stem Cells

Haploid cells are amenable for genetic analysis. Recent success in the derivation of mouse haploid embryonic stem cells (haESCs) via parthenogenesis has enabled genetic screening in mammalian cells. However, successful generation of live animals from these haESCs, which is needed to extend the genetic analysis to the organism level, has not been achieved. Here, we report the derivation of haESCs from androgenetic blastocysts. These cells, designated as AG-haESCs, partially maintain paternal imprints, express classical ESC pluripotency markers, and contribute to various tissues, including the germline, upon injection into diploid blastocysts. Strikingly, live mice can be obtained upon injection of AG-haESCs into MII oocytes, and these mice bear haESC-carried genetic traits and develop into fertile adults. Furthermore, gene targeting via homologous recombination is feasible in the AG-haESCs. Our results demonstrate that AG-haESCs can be used as a genetically tractable fertilization agent for the production of live animals via injection into oocytes.

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http://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(12)00421-7

单倍体细胞，如酵母，是遗传学研究的重要工具。自然状态下存在的单倍体细胞只有结构和功能均已特化的配子，包括卵子和精子。然而卵子和精子不能在体外进行培养，因此也不能对其进行基因操作。如果能够在体外建立哺乳动物的单倍体细胞系，那将极大地促进哺乳动物遗传学及相关生命科学的研究。

4月27日，国际著名学术期刊Cell发表了中科院上海生科院生化与细胞所李劲松研究组和徐国良研究组的一项合作研究，他们建立了来自孤雄囊胚的单倍体胚胎干细胞系，证明这些细胞保持了一定水平的雄性印记，进一步验证这些细胞能够代替精子在注入卵母细胞后产生健康的小鼠。

为了获得单倍体的孤雄囊胚，研究人员采用了核移植的技术，即将卵母细胞的核通过显微操作的方法去掉，然后注入一个精子形成携带来自父本基因组的单倍体重构胚胎。这些胚胎在体外能够发育到囊胚，从这些囊胚中分离建立了单倍体胚胎干细胞系。

单倍体胚胎干细胞系具有典型的小鼠胚胎干细胞特征，能够在注入两倍体囊胚中后形成嵌合体小鼠。因为精子在形成过程中会产生雄性印记状态，这种印记状态是受精后胚胎发育的重要保证，而且在整个发育过程中一直维持，因此，研究人员分析了单倍体胚胎干细胞系的雄性印记水平，发现这些细胞保持了一定的雄性印记。

接下来，为了验证这些细胞是否能像精子一样具有“受精”能力，研究人员将单倍体胚胎干细胞系注入卵母细胞中，发现部分“受精”的胚胎能够发育成健康的小鼠。最后，研究人员成功地利用单倍体胚胎干细胞系进行了基因打靶的尝试。

单倍体胚胎干细胞系的建立为获取遗传操作的动物模型提供了一种新的手段，也为细胞重编程研究提供了一种新的系统。

杨辉、施霖宇、王邦安为本文的共同第一作者，参与该研究的合作单位和人员包括中科院上海生命科学信息中心李党生研究员、南京大学高翔教授、第四军医大学聂勇战教授，工作得到了国家科技部、国家基金委、中国科学院以及上海市科委经费的支持。（生化与细胞所）

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最快只需一代，就能培育出实验需要的转基因动物，这可是生命科学家梦寐以求的好事。这或许很快就会变为现实。

　　昨天，国际著名学术期刊Cell以“特别推荐论文”刊发了来自中科院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所李劲松、徐国良研究员的最新成果，他们找到了一种制造“人工精子”的方法，可以对人造精子中的基因进行“加工”，并稳定地遗传给后代。该杂志认为，这一成果将极大促进哺乳动物遗传学及相关生命科学的研究。

　　在自然界，哺乳动物的普通细胞中都含有两套DNA，一套来自父亲，另一套来自母亲。而精子和卵子是一类特殊的细胞，它们每个细胞中只含有一套DNA，当它们结合到一起变成受精卵时，才能发育成一个新个体。

　　徐、李两位研究员作了一个异想天开的尝试:让一个单独的精子发育成一个具有100多个细胞的胚胎。这能行吗？对于已经成熟的精子，当然不可能，不过他们把一个精子注入了一个去掉DNA的卵细胞中，这个只有来自父亲遗传物质的“受精卵”就开始发育了，这即是“孤雄单倍体胚胎”。

　　在这个过程中，科学家发现了许多有趣的现象――

　　精子可以决定性别，一种是可生出雌性小鼠的，包含X染色体；另一种是雄性的，包含Y染色体。所有发育存活下来的，全部都是“雌性精子”。李劲松解释，过去有实验证明，X染色体上含有许多胚胎早期发育基因，而Y染色体没有。更有趣的是，尽管“孤雄胚胎”只有一套染色体，但在发育过程中，细胞会逐步拥有两套DNA，变成正常的双倍体，这让科学家感到异常惊奇，不明白自然界通过什么方式在“纠错”。

　　另外，拿出任何一个“孤雄单倍体胚胎”细胞，都可以当作精子使用，使卵细胞受精，并生下正常小鼠――可惜的是成功率比正常精子低了4－5倍。但好处在于，这种“人造精子”的基因可以被“加工”，比如敲除或增加某个基因，这使得科学家能方便地制造出实验所需要的小鼠模型，而且保证能将基因的“加工结果”稳定地表现出来，并遗传给后代。

　　徐国良介绍，一般小鼠繁殖一代需要约3个月，而按照传统方式，要繁殖2－3代小鼠才能获得所需要的转基因或基因打靶小鼠，如果利用这种新技术，1－2代即可搞定，相当于将实验周期缩短了1－2倍。

　　“如果这种方法运用到像猴子这样的非人类灵长类实验动物上，效果将更显著。”李劲松说，因为猴子的繁殖周期以年计，且一般一次只生一胎，靠“撞大运”方式获得需要的转基因动物，成本十分高昂――这种新方法无疑大大缩短了培养时间，降低了实验成本。

“人造精子”的设想，在小鼠身上率先得以实现。首批小鼠“人造精子”成功诞生在上海，去年10月23日有了第一个“女儿”，目前已形成“子孙满堂”的“大家族”。日前，国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)，以“特别推荐文章”的形式，发表了中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组和徐国良研究组的一项合作研究成果——运用核移植的技术，研究人员成功获得了具有精子功能的单倍体细胞，并进一步验证了这些细胞能代替精子让卵母细胞受精，孕育健康的小鼠。

　　在生命最初的“舞台”上——即在受精卵尚未形成前，就有机会施展生命科学的“魔法棒”，这无疑是令科学家们兴奋的消息。最直接的意义是大大缩短了小鼠遗传学实验的流程，为获取遗传操作的动物模型提供了一种新的手段。上海生化与细胞所研究团队的实验已经证实，由“人造精子”建立的新小鼠模型，用于基因打靶等遗传学操作，比此前二十年采用的经典的基于两倍体胚胎干细胞打靶方式，效率更高周期更短，至少缩短了一代(即3个月)。更长远的应用前景在于，如果“人造精子”在人身上也能实现，那么某些仅通过父亲遗传的遗传病，则有机会通过对精子中相关基因的改造得以避免。“这还只是概念上的可行，目前尚不具备这样的技术，而且存在伦理学上的障碍。”合作者之一中科院生命科学信息中心李党生研究员如是强调。

　　“人造精子”的学名是：来自孤雄囊胚的单倍体干细胞系。研究人员采用了核移植的技术，即通过显微操作的方法去除卵母细胞的核，随后将精子注入其中，形成携带来自父本基因组的单倍体重构胚胎。研究人员将这些“人造精子”注入卵母细胞中，发现部分“受精”的胚胎能够发育成健康的小鼠。

　　据悉，“人造精子”的儿孙们，目前都生活得很健康。下一步，研究人员将尝试将这一技术用于非人灵长类的大型哺乳动物，如果也能获得成功，将极大地促进哺乳动物遗传学及相关生命科学的研究。

中国科学院上海生科院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组和徐国良研究组在一项合作研究中，首次建立了来自孤雄囊胚的单倍体胚胎干细胞系，而这些细胞保持了一定水平的雄性印记，并进一步验证这些细胞能够代替精子在注入卵母细胞后产生健康的小鼠。相关研究成果4月27日在线发表于国际著名学术期刊《细胞》，并被重点推荐。

据介绍，单倍体细胞，如酵母，是遗传学研究的重要工具。自然状态下存在的单倍体细胞只有结构和功能均已特化的配子，包括卵子和精子。“然而卵子和精子不能在体外进行培养，因此也不能对其进行基因操作。”李劲松表示，如果能够在体外建立哺乳动物的单倍体细胞系，将极大促进哺乳动物遗传学及相关生命科学研究。

为了获得单倍体的孤雄囊胚，研究人员采用了核移植的技术，即将卵母细胞的核通过显微操作的方法去掉，然后注入一个精子，形成携带来自父本基因组的单倍体重构胚胎。这些胚胎在体外能够发育到囊胚，从这些囊胚中分离建立了单倍体胚胎干细胞系。

单倍体胚胎干细胞系具有典型的小鼠胚胎干细胞特征，能够在注入两倍体囊胚中后形成嵌合体小鼠。“因为精子在形成过程中会产生雄性印记状态，”李劲松告诉记者，“这种印记状态是受精后胚胎发育的重要保证，而且在整个发育过程中一直维持。”因此，研究人员分析了单倍体胚胎干细胞系的雄性印记水平，发现这些细胞保持了一定的雄性印记。

为了验证这些细胞是否能像精子一样具有“受精”能力，研究人员将单倍体胚胎干细胞系注入卵母细胞，发现部分“受精”的胚胎能够发育成健康小鼠。最后，研究人员成功利用单倍体胚胎干细胞系进行了基因打靶的尝试。

有关专家认为，单倍体胚胎干细胞系的建立为获取遗传操作的动物模型提供了一种新的手段，也为细胞重编程研究提供了一种新的系统。

人民网上海4月27日电 （记者王有佳）单倍体细胞是遗传学研究的重要工具。自然状态下存在的单倍体细胞只有结构和功能均已特化的配子，包括卵子和精子。然而卵子和精子不能在体外进行培养，因此也不能对其进行基因操作。如果能够在体外建立哺乳动物的单倍体细胞系，那将极大地促进哺乳动物遗传学及相关生命科学的研究。

4月27日，国际著名学术期刊Cell发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所李劲松研究组和徐国良研究组的一项合作研究，他们建立了来自孤雄囊胚的单倍体胚胎干细胞系，证明这些细胞保持了一定水平的雄性印记，进一步验证这些细胞能够代替精子在注入卵母细胞后产生健康的小鼠。

为了获得单倍体的孤雄囊胚，研究人员采用了核移植的技术，即将卵母细胞的核通过显微操作的方法去掉，然后注入一个精子形成携带来自父本基因组的单倍体重构胚胎。这些胚胎在体外能够发育到囊胚，从这些囊胚中分离建立了单倍体胚胎干细胞系。

单倍体胚胎干细胞系具有典型的小鼠胚胎干细胞特征，能够在注入两倍体囊胚中后形成嵌合体小鼠。因为精子在形成过程中会产生雄性印记状态，这种印记状态是受精后胚胎发育的重要保证，而且在整个发育过程中一直维持，因此，研究人员分析了单倍体胚胎干细胞系的雄性印记水平，发现这些细胞保持了一定的雄性印记。

接下来，为了验证这些细胞是否能像精子一样具有“受精”能力，研究人员将单倍体胚胎干细胞系注入卵母细胞中，发现部分“受精”的胚胎能够发育成健康的小鼠。最后，研究人员成功地利用单倍体胚胎干细胞系进行了基因打靶的尝试。

单倍体胚胎干细胞系的建立为获取遗传操作的动物模型提供了一种新的手段，也为细胞重编程研究提供了一种新的系统。