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国内首次从小鼠之外哺乳动物中获得具有发育功能单倍体胚胎干细胞系


国内首次从小鼠之外哺乳动物中获得具有发育功能单倍体胚胎干细胞系
摘要:
中国科学院动物研究所研究员周琪带领的研究团队首次从小鼠之外的哺乳动物中获得了具有发育功能的单倍体胚胎干细胞系,而且首次利用CRISPR-Cas技术完成对大鼠单倍体胚胎干细胞的多基因敲除,为建立用于大规模基因筛选的纯合的基因突变细胞库打下基础。相关文章发表于2013年12月19日的《Cell Stem Cell》杂志上。
单倍体胚胎干细胞同时具有单倍体细胞和胚胎干细胞的特性,由于其只含有一套染色体,不存在等位基因在基因功能上的补偿作用,因此是研究隐性基因功能的理想模型。同时,其胚胎干细胞的特性又可以将基因修饰直接遗传给后代,从而避免了其他转基因方法种系嵌合等方面的要求,可以极大提高基因修饰的效率及应用范围。
在最新发表的研究中,该团队成功地建立了大鼠的单倍体胚胎干细胞系,并证明大鼠单倍体胚胎干细胞在长期培养过程中仍可维持单倍性和多能性。进一步研究证明,针对大鼠单倍体胚胎干细胞进行大规模随机突变,可以快速地建立涵盖整个基因组的基因突变细胞库,从而为大规模基因筛选提供了基础。
利用基因定点修饰技术CRISPR-Cas系统,可快速高效地在单倍体干细胞上进行精确定位的基因修饰或敲除,并且处理后的细胞仍能维持单倍体和多能性状态。尤为重要的是,该工作证明了大鼠单倍体胚胎干细胞同样具有替代精子与卵母细胞“受精”并产生健康大鼠的能力。
通过种系嵌合和替代精子进行卵胞质注射两种途径,该团队都成功获得了健康的携带基因修饰的大鼠,从而证明大鼠孤雄单倍体胚胎干细胞可以将基因修饰快速地遗传给后代,为研究基因功能提供了便利。
周琪带领的研究团队之前曾先后在Nature等杂志报道建立有功能的小鼠孤雄与孤雌来源的单倍体胚胎干细胞系,并证实这些干细胞可以替代精子或卵子完成受精和胚胎发育,产生健康的小鼠,从而实现遗传物质从细胞到个体水平上的传递。
此次的研究成果首次从小鼠之外的哺乳动物中获得了具有发育功能的单倍体胚胎干细胞系,而且首次利用CRISPR-Cas技术完成对大鼠单倍体胚胎干细胞的多基因敲除,为建立用于大规模基因筛选的纯合的基因突变细胞库打下基础。鉴于大鼠在生理上比小鼠更类似于人类,这一工作将对人类疾病模型研发和开展基因功能研究起到重要的推动作用。
该研究得到了中科院干细胞与再生医学战略性科技先导专项、科技部重大科学研究计划和国家自然科学基金委的支持。
原文摘要:
Genetic Modification and Screening in Rat Using Haploid Embryonic Stem Cells
Wei Li,Xin Li,Tianda Li,Ming-Gui Jiang,Haifeng Wan,Guan-Zheng Luo,Chunjing Feng,Xiaolong Cui,Fei Teng,Yan Yuan,Quan Zhou,Qi Gu,Ling Shuai,Jiahao Sha,Yamei Xiao,Liu Wang,Zhonghua Liu,Xiu-Jie Wang,Xiao-Yang Zhao,Qi Zhou
The rat is an important animal model in biomedical research, but practical limitations to genetic manipulation have restricted the application of genetic analysis. Here we report the derivation of rat androgenetic haploid embryonic stem cells (RahESCs) as a tool to facilitate such studies. Our approach is based on removal of the maternal pronucleus from zygotes to generate androgenetic embryos followed by derivation of ESCs. The resulting RahESCs have 21 chromosomes, express pluripotency markers, differentiate into three germ layer cells, and contribute to the germline. Homozygous mutations can be introduced by both large-scale gene trapping and precise gene targeting via homologous recombination or the CRISPR-Cas system. RahESCs can also produce fertile rats after intracytoplasmic injection into oocytes and are therefore able to transmit genetic modifications to offspring. Overall, RahESCs represent a practical tool for functional genetic studies and production of transgenic lines in rat.
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