南開大學團隊發現“擦亮”基因篩選利器

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單倍體胚胎干細胞自問世以來，為正向遺傳學篩選提供了非常優秀的平臺，被廣泛應用于各種病毒受體、藥物靶點、生物發育現象等關鍵調控基因的篩選。然而，其在日常培養和分化過程中，常常會發生二倍化現象，嚴重影響其發揮“基因篩選利器”的功能。如何從根本上抑制二倍化，高效維持單倍體胚胎干細胞的單倍性成為干細胞研究領域的重要課題。

對此，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室帥領研究員課題組在小鼠單倍體胚胎干細胞中引入外源抗凋亡基因BCL2，成功構建了BCL2過表達（BCL2-OE）的小鼠單倍體胚胎干細胞系（haESCs），可以在體內外分化等嚴苛條件下長期維持其單倍性。

該研究成果不僅進一步證實了抗凋亡可高效抑制單倍體細胞的自發二倍化，也為推廣單倍體細胞在藥物篩選、細胞分化等方向的靶點篩選提供了堅實基礎，進一步“擦亮”了單倍體細胞這一基因篩選利器。日前，介紹該成果的論文在線發表于生物學領域知名學術期刊《細胞增殖》上。

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BCL2-OE有效維持單倍體細胞在日常培養及體內外分化過程中的單倍體性示意圖 項目組供圖

據介紹，真核生物的遺傳信息一半來自于父本，一半來自于母本，這種“雙備份”可以在遺傳過程中抵御不良突變，保障物種繁衍，但是對于遺傳學研究，尤其是對于隱性遺傳基因功能的探索就十分受限。而只有一套染色體的單倍體細胞由于沒有基因“備份”，人們對任意基因的更改都會直接體現于表型的改變。這對于探索生命現象、破解基因密碼十分有利。

然而，這一類人造純合子的工具細胞，在日常培養或分化過程中傾向于自發二倍化，進而喪失了單拷貝基因組的優勢。因此，在日常培養中，需要不斷通過基于DNA含量的流式分選技術對單倍體加以富集和維持，極大限制了單倍體細胞更為廣泛的應用。研發有效抑制單倍體細胞二倍化的策略迫在眉睫。

帥領表示：“基于前期的積累和經驗，我們發現細胞凋亡的發生可能是單倍體細胞發生二倍化的一個核心因素。因此，我們設想通過引入外源性的抗凋亡基因BCL2，以期獲得能夠高效維持單倍性的細胞系。”

研究中，帥領課題組對抗凋亡基因——BCL2-OE的haESCs在抗凋亡、基因組穩定性和分化發育潛能等方式進行了全面論證，發現BCL2-OE可有效提高細胞在多種嚴苛條件下的抗凋亡和單倍性維持能力，并且不影響其胚胎干細胞增殖分化的潛能。

在此基礎上，研究人員系統比較了BCL2-OE和野生型單倍體胚胎干細胞在日常培養、擬胚體分化、嵌合胚胎和畸胎瘤形成中的單倍體維持能力，發現與野生型單倍體相比，BCL2-OE可以極大幅度提高其單倍性維持的能力，首次實現在E10.5嵌合胚胎中檢測到很高比例的單倍體細胞貢獻。后期基于轉錄組測序的分析，研究人員發現BCL2-OE有效激活了透明質酸合成酶基因Has2的表達，并通過miR26b-Has2-HA-Caspase調控途徑提高細胞的抗凋亡能力和單倍性維持能力。在單倍體胚胎干細胞中過表達Has2同樣可以高效維持單倍性。

“這項工作不僅證實了單倍體胚胎干細胞在理論上可以單倍體的形式分化到任意一種細胞類型，也全面推動了單倍體篩選系統在更多種類的細胞類型中進行譜系特異性篩選的發展。”帥領說。