全 文 :·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY BULL ETIN 2009年第 6期
禽类多能干细胞的研究与应用
何文俊 叶玲玲 陈昭烈
(军事医学科学院生物工程研究所细胞工程研究室 ,北京 100071)
摘 要 : 禽类多能干细胞是一种未分化的细胞 ,来源于 X期未孵化的胚盘细胞或 515 d性腺的原始生殖细胞 ,具有自我
更新能力 ,并能分化为所有类型细胞 ,包括生殖系。禽类多能干细胞最重要的应用就是在体外对其基因组进行特异性修饰 ,
用来制备转基因禽类。禽类多能干细胞的培养已取得显著进步 ,随着对其多能性分子基础等研究的深入 ,禽类多能干细胞也
将得到充分运用。综述了禽类多能干细胞的培养方法、生物学特性及其应用进展。
关键词 : 禽类 胚胎干细胞 胚胎生殖细胞 原始生殖细胞 转基因 嵌合体
Research and Application in Avian Plur ipotent Stem Cells
He W enjun Ye L ingling Chen Zhaolie
(Departm ent of Cell Engineering, Institu te of B iotechnology, Academ y of M ilitary M edical Sciences, B eijing 100071)
Abs trac t: Avian p luripotent stem cells that can be derived from stage X unincubated blastoderm or 515 day gonadal p rimordial
germ cells, are capable of p roliferation and self2renewal and have the capacity to differentiate into all somatic cell types1 One of the
most important app lications of avian p luripotent stem cells is the ability to generate transgenic birdswith specific geneticalmodifications
in vitro to the avian genome1 The culture of avian p luripotent stem cells has been imp roved significantly1 In the future, avian stem cells
could be fully used along with the answers to fundamental questions regarding the molecular basis of p luripotency1 This article reviewed
the culture, biological characterization and app lication of avian embryonic stem cells1
Key wo rds: Avian embryonic stem cells Embryonic germ cells Primordial germ cells Transgenic Chimeras
收稿日期 : 2009202220
作者简介 :何文俊 (19832) ,男 ,博士研究生 ,研究方向 :动物细胞工程 ; E2mail: 520hewenjun@1631com
通讯作者 :陈昭烈 , chenzl123@ hotmail1com
多能干细胞是一种未分化的具有自我更新能力
的细胞 ,目前已成为国内外生命科学研究的热点 ,在
生产转基因动物、研究胚胎发育和基因功能、药物筛
选和新药开发 ,以及组织工程和细胞治疗等领域显
示出巨大优势和应用前景。与哺乳动物相比 ,禽类
具有世代周期短、维持费用低、生产性能高等特点 ,
是发育生物学的首选模型 ,而且它在生产病毒疫苗
和药物蛋白等方面具有极大的潜力。然而 ,由于禽
类具有独特的生殖生理特点和胚胎发育过程 ,很难
获得单细胞卵子或受精卵 [ 1 ] ,转基因禽类研究明显
滞后于哺乳动物。因此 ,分离和培养禽类多能干细
胞并在体外对其基因组进行特异性修饰用来制备转
基因禽类 ,具有重要的实际价值和社会意义。
1 禽类多能干细胞的分离
禽类多能干细胞大多数来源于 X期未孵化的
胚盘细胞或 515 d性腺的原始生殖细胞 (p rimordial
germ cells, PGC[ 2 ]。
111 自胚盘细胞分离多能干细胞
鸡的受精卵排出体外时处于胚胎发育的 X
期 [ 3 ] , 此时的胚胎由 40 000~60 000个胚盘细胞组
成 ,位于卵黄表面直径约 3 mm的白色圆盘中。它
们分布在两个区域 ,分别为中央的明区和周围的暗
区 ,明区将形成胚体 ,暗区则形成胚外膜结构。
1970年 , Marzullo首次将未孵化的罗得岛红羽
鸡 ( rhode island red)或横斑芦花鸡 ( barred p lymouth
rock, BPR )的胚盘转移到同期的白来航鸡 (W hite
Leghorn,WL)胚盘中 ,经过 14 d的孵化 ,获得了毛色
嵌合体 ,但没有一个胚胎存活至孵出 [ 4 ]。20年后 ,
Petitte等 [ 5 ]将从 X期 BPR胚盘得到的分散细胞注
射到刚产出的 WL胚胎的胚下腔 ,获得了体细胞嵌
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生物技术通报 B iotechnology B u lle tin 2009年第 6期
合体和生殖系嵌合体。利用早期胚盘细胞转移制备
体细胞和生殖系嵌合体的研究表明 , X期胚胎中的
胚盘细胞具有发育的全能性 ,且能参与各种组织的
形成 ,从 X期胚胎中可能会培养出多能性细胞。
112 自原始生殖细胞分离多能干细胞
禽类 PGC起源于 X期胚盘的上胚层 ,在 4期移
到胚盘明区的下胚层 ,在 10~12期从生殖新月区进
入刚刚形成的胚胎血管进行血液循环 ,在 17期最终
到达生殖嵴聚集定居 [ 6 ]。因此 ,从 15期胚胎血液样
本中或者较大一点胚胎未分化的性腺中获得 PGC
是可能的。A llioli等 [ 7 ]首次报道从性腺分离的 PGC
在体外培养的条件下能够增殖若干天。Chang等 [ 8 ]
将体外培养 5 d的性腺 PGC注射到受体胚胎中 ,获
得了生殖系嵌合体鸡。这些研究表明 , PGC也具有
发育的全能性 ,分离 PGC 也可能培养出多能性
细胞。
2 禽类多能干细胞的体外培养
211 自胚盘细胞分离多能干细胞的培养
Petitte等 [ 9 ]将未孵化的 X期鸡胚盘细胞分别在
STO滋养层、原代鸡胚成纤维细胞 ( chicken embry2
onic fibroblasts, CEF)滋养层 ,或者用布法罗大鼠肝
细胞 ( buffalo rat liver, BRL )、鸡肝癌细胞系 LMH制
备的条件培养基进行培养 ,所有这些因素单独维持
胚盘细胞不超过两代。当结合原代 CEF滋养层和
LMH条件培养基来培养 X期胚胎明区的胚盘细胞
时 ,细胞很快分化为成纤维细胞。相反 ,结合 STO
滋养层和 BRL条件培养基培养的鸡胚盘细胞超过
20代。最初 ,这些细胞充满了大量脂滴 ,但多次传
代后消失。大多数细胞具有 ES样表型 ,即大的半
透明核 ,显著的单个核仁 ,胞质相对很少 ,紧密接触
呈集落样生长 ,边界清晰 ,表达 SSEA21和 EMA21。
Pain等 [ 10 ]首次报道了长期培养禽类胚胎干细胞
( embryonic stem cells, ESC)的条件。在灭活的 STO
滋养层上培养胚盘细胞 ,同时培养基中添加 hL IF、
bFGF、SCF及 IL211,碱性磷酸酶 ( alkaline phospha2
tase, AKP)阳性的 ESC克隆数明显增加。在培养基
中加入抗维甲酸抗体 ,可进一步提高 AKP阳性的克
隆数。他们将鸡 ESC在体外培养了 160 d,传至 35
代仍具有全能性 ,并保持有端粒酶活性。在端粒酶
阳性的鸡 ESC中 , chTERT和 chTR的表达上调 [ 11 ] ,
使鸡 ESC具有稳定的端粒从而进行多次细胞分裂。
相关研究认为鸡 L IF能够更好地维持鸡 ESC
的未分化状态。H iroyuki等 [ 12 ]克隆了编码鸡 L IF的
cDNA,这种 cDNA编码的蛋白与小鼠 L IF约有 40%
的同源序列 ,它具有 211个氨基酸 ,包括一个具有
24个氨基酸残基的 N2末端信号肽。他们用重组的
鸡 L IF培养的胚盘细胞能够持续表达 AKP、EMA21
和 SSEA21,而且能够检测到 STAT3的激活 ,而胚盘
细胞用小鼠 L IF培养 9 d后形成了囊状拟胚体。
渗透应力对体外胚胎发育具有一定影响。Van
de Lavoir等 [ 13 ]认为虽然 DMEM 培养基能支持鸡
ESC的生长 ,但是 KO2DMEM能明显增加鸡 ESC的
生长速率 ,使其更容易获得足够数量的细胞 ,原因是
KO2DMEM的渗透压浓度 ( 270 mO sm )比 DMEM 的
渗透压浓度 (320~350 mO sm )要低 ,他们还认为原
代鸡和小鼠胚胎成纤维细胞不支持鸡 ESC的生长 ,
而 STO细胞是惟一支持鸡 ESC连续生长的细胞系。
尽管如此 ,高密度的 STO 细胞会抑制鸡 ESC的生
长。因此 , STO 细胞应低密度 ( 104 / cm2 )接种作为
滋养层。此外 ,在传代培养的过程中 ,重复使用胰酶
将诱导鸡 ESC分化。
212 自原始生殖细胞分离多能干细胞的培养
Park等 [ 14 ]从 515 d未分化的鸡胚性腺中分离
PGC,获得鸡胚胎生殖细胞 ( embryonic germ cells,
EGC)。这种细胞生长在未经有丝分裂灭活的鸡胚
成纤维细胞滋养层上 ,通过在培养基中添加 SCF、
L IF、bFGF、IL211和 IGF2I,可将其体外连续培养长
达数月之久。
3 体外分化和体内分化
ESC的特点之一就是具有分化为各种细胞类型
的能力。Pain等 [ 10 ]将鸡 ESC悬浮培养时能形成拟
胚体 ,再将其贴壁培养后可自发分化为神经细胞、红
细胞、造血细胞和肌细胞。而 Park等 [ 14 ]报道的鸡
EGC在去除滋养层和培养基中的 L IF后也形成拟胚
体。除了这两个报道 ,鸡多能干细胞的体外分化还
有待进一步研究。Petitte等 [ 2 ]将禽类 ESC移植到 9
d 的鸡胚绒毛尿囊膜 ( chorioallantoic membrane,
CAM )上 ,并将整个 X期胚胎也移植到 CAM上作为
对照。经过 9 d的孵化后 ,培养的禽类 ESC和整个
移植的 X期胚胎都形成畸胎瘤样的结构 ,并刺激
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2009年第 6期 何文俊等 :禽类多能干细胞的研究与应用
CAM的血管生长到肿瘤中。移植物表面具有造血
区域、不同大小的上皮管腔、嵌入软骨样基质中的细
胞以及高度角质化的细胞。
虽然 X期胚盘细胞具有 ESC表型并表达多能
性相关标志 ,但最有说服力的证据在于它们是否具
有形成体细胞和生殖系嵌合体的能力。 Pain等 [ 10 ]
报道培养 1~3代的胚盘细胞能够产生体细胞嵌合
体 ,此外 ,用培养 7 d的细胞还获得了两只生殖系嵌
合体鸡。 Park等 [ 14 ]报道 WL鸡胚性腺获得的第 3
代和第 4代 EGC注射到黑毛色 X期 Ogol鸡胚中 ,
获得了 3只毛色嵌合体鸡。此外 ,在一些鸡的心脏、
肝脏、肌肉和性腺中检测到 WL特异的 DNA,表明
培养的细胞能在体内形成各种细胞类型。随后 ,
Park等 [ 15 ]又将 WL的 EGC注射到 17期 Ogol鸡胚
背主动脉 ,孵化 515 d时 ,在鸡胚性腺中发现有荧光
标记的第 2代 EGC存在。用孵出的鸡进行测交交
配表明 ,培养的细胞能够产生功能性配子。
Petitte等 [ 2 ]利用性别混合嵌合体检测了培养的
ESC整合到受体胚胎及其形成各种组织的能力。用
雌性胚胎建立鸡 ESC,经 PCR筛选 W 染色体特异
的 DNA。随后逐个挑选 ESC克隆 ,并注射到经照射
的未孵化的性别未知的受体胚胎中形成嵌合体。经
过 10 d的孵化 ,用表型雄性胚胎筛选 W 染色体
DNA ,结果显示在其中两个雄性胚胎的几种组织中
存在雌性特异的 DNA ,表明一些供体雌性细胞整合
到雄性胚胎中。鉴于这一结果 ,他们从 BPR鸡胚中
建立 ESC,仔细挑选 ESC克隆并将它们注射到经照
射的 WL胚胎中。用培养了 8周的 ESC制备体细胞
嵌合体 ,其中有 3只雄性为生殖系嵌合体。毛色嵌
合性水平和生殖系遗传频率随着传代次数的增加而
下降。
4 禽类多能干细胞的转染策略
ESC转染策略是禽类干细胞技术的一个重要组
成部分。新鲜的胚盘细胞能够用脂质体、电穿孔或
逆转录病毒进行转染。除了逆转录病毒外 ,应用其
他方法使得 DNA整合效率太低而得不到充分的生
殖系遗传 ,甚至富集表达转基因的细胞后也达不到
效果。ESC培养允许选择整合有转基因的细胞 ,以
及通过同源重组筛选基因组发生定向改变的细胞。
通常情况下 ,阳离子脂质体介导的转染效率在
有血清的情况下会降低 ,而鸡 ESC在无血清时转染
不能存活。Pain等 [ 16 ]利用各种脂质体制品优化了
鸡 ESC的转染条件。他们利用最低血清浓度 ,发现
分化的鸡 ESC比未分化的更容易接受转染 ,但能够
选择未分化的新霉素抗性 ESC。Van de Lavoir
等 [ 17 ]利用电穿孔的方法转染鸡 ESC。当鸡 ESC以
贴附细胞进行转染时 ,给予 15 m s的矩形波 ,电压为
675~750 V /cm,电穿孔 10 m in后 ,加入新鲜培养
基 ;当鸡 ESC以悬浮形式进行转染时 ,在电穿孔试
管中给予 218 Kv/cm的 8个矩形波 , 100μs的持续
时间 ,然后接种到 48孔培养板中 ,限制每孔的转染
克隆数不超过一个。转染 2 d后再进行抗生素筛
选 , 8~14 d后获得抗性 ESC克隆。用这种转染后
的鸡 ESC制备了品质优良的嵌合体鸡 ,但没有生殖
系嵌合体的形成。
5 禽类多能干细胞的应用
ESC技术最重要的应用之一是对基因组进行遗
传修饰制备转基因动物 ,在胚胎发育研究、珍稀禽类
的保种、生产转基因禽类以及药物蛋白等方面具有
巨大的应用前景。
511 胚胎发育研究
鸡胚是研究脊椎动物早期发育的一个主要模
型。最近对鸡的基因组测序促进了比较发育遗传学
在其他脊椎动物模型中的发展 [ 18 ]。应用这些工具
可以对鸡胚发育的最早阶段进行分子分析 ,阐明控
制脊椎动物发育中重要过程的高度保守序列 [ 19 ]。
Acloque等 [ 20 ]利用基因捕获策略克隆了一个新
的基因家族 cEN S ,这一基因在诱导体外培养的鸡
ESC分化后表达下降 ,在体内仅表达于早期的鸡胚
中 ,表明 cEN S的转录活性仅存在于未分化的鸡 ESC
中。随后进一步证实 ,转录因子 cCP2在 cEN S 21启
动子的激活中非常关键 , cCP2在原肠胚形成前的早
期鸡胚中的表达模式与 cEN S 21非常类似 ,这表明
cCP2在早期鸡胚发育的基因表达中起重要的作
用 [ 21 ]。Lavial等 [ 22 ]证实禽类 O ct4同系物 cPouV 和
cN anog基因在维持鸡 ESC的多能性和自我更新中
至关重要。
512 珍稀禽类的保种
精液冷冻保存技术是目前保存禽类种质资源常
用的一种方法 ,但是只适用于单基因性状 ,不能保存
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高度选择且特定的家禽品系的完整基因组。禽类
ESC或 PGC的培养 ,可能提供了一种更好的保护禽
类种质资源的方法 [ 23 ]。不同类型的多能干细胞制
备生殖系嵌合体的利用效率差别很大。此外 ,还要
考虑选择制备生殖系嵌合体的受体品系 ,以及重建
品系所需要的个体数量。
513 生产转基因禽类
转基因禽类的制备主要有以下 3种方法 : ( 1 )
直接将 DNA注射到发育的受精卵中 ; ( 2)培养禽类
ESC或 PGC; (3)病毒载体介导 DNA转移。目前最
成功的方法是基于病毒载体制备转基因禽类。迄今
为止 ,还没有利用转染的禽类 ESC制备可以产生转
基因后代的生殖系嵌合体的报道 [ 1 ]。 van de Lavoir
等 [ 17, 24 ]认为基因修饰后的禽类 ESC未能进入生殖
系的原因可能是由于细胞的内在属性 ,或者禽类胚
胎的发育速度太快 ,或是生殖系的预决定引起的。
最近 ,他们通过遗传修饰的 PGC获得了转基因鸡 ,
首次证实了在体外无限生长的 PGC,能够对其进行
遗传修饰并保持向生殖系分化的能力。
514 生产药物蛋白
禽类在形成卵子的过程中蛋白合成效率非常
高 ,每枚蛋中含有约 316 g的蛋白质 ,其中超过一半
的蛋白由卵白蛋白组成 [ 25 ] ,在这方面已备受医药产
业的关注。通过 ESC技术制作家禽输卵管生物反
应器 ,从而可以在蛋中生产治疗用重组蛋白以及其
它昂贵的医药蛋白。Zhu等 [ 26 ]构建了卵白蛋白基
因启动子驱动的编码人单克隆抗体基因的表达载
体 ,通过转基因技术导入鸡 ESC中 ,然后将重组的
鸡 ESC注入受体胚盘制备嵌合体鸡 ,所产的蛋中含
有高达 3 mg的单克隆抗体。
515 其它应用
禽类 ESC除了可用于制备转基因禽类外 ,还有
许多其它应用。从基因优良的禽类中分离培养
ESC,利用这种细胞可以制备出基因完全相同的品
质优良的嵌合体 ,从而缩短传统家禽育种程序繁殖
优良品种所需的时间。此外 ,还可从表达报告基因
的转基因鸡中建立 ESC,从而提供具有细胞谱系标
记的在体内外都能被追踪的干细胞 [ 27 ]。
传统的疫苗生产通常需要使用鸡胚或 CEF,不
仅需要大量鸡胚 ,生产过程非常漫长 ,而且容易遭受
病毒或细菌感染。最近 ,法国的 V IVAL IS公司从禽
类 ESC中获得一种新的细胞系 ,这种细胞没有经过
任何基因、化学或物理修饰 ,不仅具有端粒酶活性 ,
而且能够在无血清培养基中高密度悬浮生长 ,体内
无致瘤性 [ 28 ]。它可用于多种病毒疫苗的生产 ,也可
用于表达外源蛋白。此外 ,这种细胞生产的单克隆
抗体的岩藻糖含量很低 ,因此具有很高的抗体依赖
性细胞毒性 ( antibody dependent cellular cytotoxicity,
ADCC) ,从而大幅度提高对癌细胞的杀伤力。
6 存在的问题与展望
虽然有关禽类 ESC培养方面取得非常显著的
进展 ,但致力于该领域的研究仍然很少。除了小鼠
外 ,还有许多在其他哺乳类动物中建立 ESC的尝
试 ,但都不能形成生殖系嵌合体。用禽类 ESC已经
制备出生殖系嵌合体 ,但是制备的生殖系嵌合率相
当低 ,如何提高受体胚胎的嵌合率和孵化率有待进
一步完善。此外 ,维持 ESC自我更新及保持未分化
状态的机制有待进一步阐明 ,禽类 ESC在体外长期
培养比较困难 ,需要进一步优化禽类 ESC的培养体
系以及高效转化系统等。
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存在着重要作用。
3 总结
鸡的 PGCs是研究禽类特有的胚胎发生、细胞
分化机制、发育的基因调控等良好的研究模型 ,最重
要的是可以以 PGCs为平台进行禽类转基因的研
究。正因如此 ,有关鸡 PGCs的研究受到了越来越
多的关注。由于 PGCs的体外培养需要处于精确而
复杂的微环境中 ,饲养层细胞及多种细胞因子同时
影响着 PGCs的生长 ,各种因子发挥作用是呈现相
互协同或是相互制约的。选择合适的饲养层细胞、
适当的细胞因子组合以及适量的剂量都有利于
PGCs生长增殖。因此对于 PGCs的培养和利用都
需要进行更加深入的研究 ,从而为禽类胚胎发育及
转基因模型的建立等提供良好平台。
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