解决家畜干细胞不能长期、多基因编辑的问题

家畜干细胞在生命科学基础研究、细胞培养生产人造肉以及培育优良品种等方面具有巨大的应用前景。自1981年成功培育小鼠胚胎干细胞(mESCs)以来，国内外科学家一直在努力建立稳定的大牲畜胚胎多能细胞系，可长期遗传，但从未成功。

最近，中国农业大学韩教授的团队在许多联合国组织中在这一领域取得了重大突破。他们成功建立了世界上家畜干细胞传代次数最多(超过260代)和多次基因编辑操作的猪胚胎干细胞系，从而克服了建立猪胚胎外胚层多能干细胞系的国际难题。研究结果于11月30日在线发表在国际知名学术期刊《细胞研究》上。

绘制第0天至第14天猪胚胎高质量单细胞转录组图谱。

猪不仅是重要的家畜，也是重要的实验动物，广泛应用于基础研究、人类疾病模型、异种移植等领域。针对家畜胚胎外胚层多能干细胞系建立困难、传代时间短、无法承担多次基因编辑操作等国际难题，韩团队联合四川农业大学、中国科学院动物研究所、北京遗传研究所、中国科学院、东北农业大学等单位，以猪为模式生物开展联合科技攻关，在家畜胚胎干细胞领域取得重大突破。

研究人员从早期胚胎多能发育调控的分子机制入手，攻克了早期猪胚胎单细胞分离技术，首次绘制了猪胚胎0-14天的高质量单细胞转录组图谱，分析了猪表观多能状态(初始状态、中间状态和激发态)变化调控的分子机制。

“基于单细胞数据，我们创建了猪前肠化生多能干细胞(pgEpiSCs)的培养体系，成功建立了15个细胞系。该细胞能保持化生的多能状态，具有典型的干细胞特征，最长传代次数超过260代，是目前世界上报道的最大的动物干细胞系。”韩说，他们还通过多组学联合分析确定了75个在前列腺增生上皮细胞中具有重要功能的转录因子。

“我们在PGEPICS上通过三种不同的基因编辑方式，获得了来源于PGEPICS、出生后存活的经过基因编辑的克隆猪，解决了家畜干细胞不能长期、多次进行基因编辑的国际难题。”韩对说道。

它将广泛应用于细胞培养肉、干细胞育种和模型动物研究领域。

专家指出，这一成果具有广阔的应用前景。在生命科学基础研究领域，作为一种全新且稳定的猪胚胎多能干细胞系，pgEpiSCs的成功建立开创了家畜多能干细胞研究的新方向。与小鼠相比，猪的胚胎发育更接近人类。猪胚胎干细胞是研究人类胚胎发育的理想细胞模型，可为异种移植等再生医学研究提供理论依据。

“在细胞培养肉领域，pgEpiSCs未来可作为细胞培养等细胞基功能产品的种子细胞。目前细胞培养肉开发的种子细胞大多是肌肉和脂肪细胞的祖细胞，不具备长期传代和增殖的能力，成为细胞培养肉体外规模化生产的技术瓶颈。PgEpiSCs可以在体外长期稳定传代，通过体外大规模培养获得大量初始细胞，再通过定向诱导分化获得肌肉细胞和脂肪细胞，可以解决细胞培养肉面临的种子细胞传代时间短等技术难题。”韩对说道。

在模型动物的研究领域，pgEpiSCs结合基因编辑可用于构建人类疾病模型或抗病猪模型。基于体细胞基因编辑和克隆的传统技术受到体细胞不能耐受多基因编辑的限制，往往很难获得具有多基因编辑的克隆家畜。通常需要重复克隆并重新分离成成纤维细胞，以达到多重基因编辑的目的，周期短，效率低。实验证明pgEpiSCs对基因编辑有很好的耐受性，可以耐受至少3次连续的基因编辑，这将大大缩短获得多基因编辑克隆猪的时间。

韩说：“在家畜育种领域，pgEpiSCs可以通过定向诱导分化为精子和卵母细胞，实现干细胞育种和重要经济性状的快速遗传改良。”