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提高豬體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育率的研究進(jìn)展

2024-12-31 00:00:00張才用陳指龍謝浩彭翠婷晏超趙玉蘭齊霖周磊唐中林
關(guān)鍵詞:體細(xì)胞卵母細(xì)胞表觀

摘要:體細(xì)胞克隆技術(shù)可使終末分化的體細(xì)胞獲得完整全能性,進(jìn)而生產(chǎn)出完整個體。豬體細(xì)胞克隆技術(shù)在種質(zhì)資源的保護(hù)與利用及制備基因編輯豬等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而,豬體細(xì)胞克隆的胚胎發(fā)育率和移植存活率限制著該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。隨著微量細(xì)胞測序技術(shù)的發(fā)展,克隆胚胎發(fā)育異常機(jī)制不斷被揭示,諸多研究人員嘗試通過改良核移植操作程序或糾正克隆胚胎的異常重編程來提高克隆成功率,取得了一定效果。綜述了近年來圍繞卵母細(xì)胞、供體細(xì)胞和克隆胚胎3個方面來提高豬體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育率的相關(guān)研究,以期為提高豬體細(xì)胞克隆效率提供參考,有助于推動體細(xì)胞克隆技術(shù)在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:豬;體細(xì)胞;核移植;胚胎;發(fā)育doi:10.13304/j.nykjdb.2024.0209

中圖分類號:S828 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:10080864(2024)12020109

體細(xì)胞克隆又稱體細(xì)胞核移植(somatic cellnuclear transfer,SCNT),是一種可使移入去核卵母細(xì)胞的終末分化體細(xì)胞獲得全能性,進(jìn)而生產(chǎn)出與供體細(xì)胞相同基因型個體的技術(shù)。自1996年克隆羊“Dolly”問世以來[1],通過SCNT技術(shù)獲得克隆后代的哺乳動物已超過20多種,特別是我國科學(xué)家率先完成體細(xì)胞克隆猴的研究,實(shí)現(xiàn)了歷史性突破[2]??寺∝i的歷史可追溯至1989 年,Prather等[3]將4-細(xì)胞胚胎的細(xì)胞核移入去核卵母細(xì)胞,獲得的重構(gòu)胚胎移植至受體母豬體內(nèi)繼續(xù)發(fā)育誕生一頭克隆仔豬。由于豬SCNT技術(shù)發(fā)展緩慢,直到2000年才獲得第一頭體細(xì)胞克隆豬[4]。SCNT發(fā)展至今,在保護(hù)珍貴或瀕危豬種、快速繁育優(yōu)良種豬和加快生豬遺傳改良等方面發(fā)揮著重要的作用[5]。此外,SCNT 與基因編輯技術(shù)相結(jié)合,生產(chǎn)的基因輯編豬已應(yīng)用于異種器官移植、再生醫(yī)學(xué)和抗病育種等領(lǐng)域[6]。然而,豬體細(xì)胞克隆效率仍然很低,克隆豬平均出生率僅1%左右,新生克隆豬死亡率高達(dá)30%以上[78],嚴(yán)重制約著該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。SCNT主要包括卵母細(xì)胞體外成熟培養(yǎng)、去核、供體細(xì)胞培養(yǎng)、融合、重構(gòu)胚胎培養(yǎng)和胚胎移植等操作,每一環(huán)節(jié)對克隆胚胎的發(fā)育都至關(guān)重要。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展,SCNT胚胎重編程機(jī)制逐步被揭示,諸多學(xué)者嘗試改良SCNT操作程序或糾正異常表觀遺傳修飾來提高SCNT胚胎發(fā)育率,進(jìn)一步提升克隆效率。本文圍繞供體細(xì)胞、卵母細(xì)胞和克隆胚胎3個方面綜述了提高豬SCNT胚胎發(fā)育率的研究,為提高豬體細(xì)胞克隆效率提供參考。

1 體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育異常原因

SCNT通過重編程體細(xì)胞基因組來產(chǎn)生全能基因組,重構(gòu)胚胎能夠發(fā)生類似于正常受精胚胎合子基因組激活(zygotic genome activation,ZGA)的過程。SCNT胚胎與正常受精胚胎存在遺傳和表觀遺傳方面的差異。研究報道,SCNT發(fā)生的遺傳異常是由于供體細(xì)胞和卵母細(xì)胞之間的細(xì)胞周期不同步或體外操作失誤造成染色體畸變,如SCNT胚胎早期卵裂階段經(jīng)常出現(xiàn)的異常染色體分離[9]。表觀遺傳修飾異常被認(rèn)為是SCNT胚胎發(fā)育的主要障礙,主要包括DNA高度甲基化、組蛋白的異常修飾以及X染色體失活異常。此外,卵母細(xì)胞成熟質(zhì)量同樣是影響體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育率的重要因素。

1.1 卵母細(xì)胞體外成熟質(zhì)量差

卵母細(xì)胞體外成熟(in vitro maturation,IVM)培養(yǎng)是SCNT的關(guān)鍵步驟,其成熟質(zhì)量對克隆胚胎發(fā)育至關(guān)重要。卵母細(xì)胞IVM培養(yǎng)的關(guān)鍵在于用IVM培養(yǎng)基模擬卵泡液微環(huán)境,使未成熟的卵母細(xì)胞同時達(dá)到細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的成熟。但由于SCNT所需的大量卵母細(xì)胞來自于未性成熟的青年母豬卵巢,卵母細(xì)胞體外成熟效率普遍低于體內(nèi)正常發(fā)育[10],因此,揭示卵母細(xì)胞成熟的分子機(jī)制與影響因素對改善卵母細(xì)胞的成熟質(zhì)量至關(guān)重要。

Ye等[11]通過單細(xì)胞多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),人體外與體內(nèi)發(fā)育成熟的卵母細(xì)胞相比,存在507個差異表達(dá)基因,體內(nèi)成熟的卵母細(xì)胞中富集的差異基因與細(xì)胞周期過程有關(guān),而體外成熟的卵母細(xì)胞中富集的差異基因與線粒體呼吸生物合成有關(guān)。卵母細(xì)胞體外成熟培養(yǎng)過程相關(guān)信號調(diào)控通路受到影響將導(dǎo)致體外培養(yǎng)成熟效率和質(zhì)量下降。體內(nèi)與體外成熟卵母細(xì)胞的主要差異是線粒體功能,體外成熟的有限條件可導(dǎo)致線粒體形態(tài)改變以及編碼與線粒體功能相關(guān)的基因表達(dá)改變,功能失調(diào)的線粒體抗氧化應(yīng)激能力減弱,進(jìn)而影響卵母細(xì)胞的成熟[12]。

1.2 供體細(xì)胞DNA 高度甲基化

DNA 甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的表觀修飾遺傳標(biāo)記,指DNA分子在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下將甲基選擇性地添加到特定堿基上的過程。其中5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)是最常見的DNA甲基化標(biāo)記。供體細(xì)胞基因組DNA的高度甲基化是阻礙SCNT胚胎發(fā)育的主要因素之一,不同供體的細(xì)胞DNA甲基化存在明顯差異,使用DNA甲基化水平低的供體細(xì)胞獲得的SCNT胚胎具有更強(qiáng)的發(fā)育潛力[13]。羅嬋[14]研究發(fā)現(xiàn),水牛胎兒的4個成纖維細(xì)胞系中,克隆效率高的供體細(xì)胞DNA甲基化水平較低,趙鑫[15]的研究進(jìn)一步證實(shí)了此結(jié)果。此外,Zhai等[16]研究發(fā)現(xiàn),用豬骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stemcell,BMSC)作為供體細(xì)胞的SCNT(BMSC nucleartransfer,BMSC-NT)胚胎比豬胎兒成纖維細(xì)胞(porcine fetal fibroblast,PFF) 的SCNT (PFFnuclear-transfer,F(xiàn)F-NT)胚胎具有更低的DNA 甲基化和5mC水平,更有利于SCNT胚胎的發(fā)育。

SCNT胚胎的DNA甲基化主要來源于供體細(xì)胞的細(xì)胞核,合子基因組激活后,供體細(xì)胞核基因的不完全去甲基化致使胚胎發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)紊亂,進(jìn)而導(dǎo)致胚胎發(fā)育阻滯[17]。供體細(xì)胞基因組DNA 高度甲基化是引起SCNT 胚胎發(fā)育過程中DNA甲基化水平動態(tài)變化的直接原因。Liu等[18]通過胚胎活檢系統(tǒng)和單細(xì)胞簡化亞硫酸氫鹽測序(reduced representation bisulfite sequencing,RRBSseq)分析了SCNT胚胎的DNA甲基化水平發(fā)現(xiàn),在2-細(xì)胞和4-細(xì)胞階段,SCNT樣本的甲基化水平普遍高于對應(yīng)時期的體外受精胚胎(in vitrofertilization,IVF)[19],而SCNT與IVF囊胚的甲基化水平相似。此外,Canovas等[20]通過RNA測序并結(jié)合RRBS-seq對豬體內(nèi)和體外胚胎分析發(fā)現(xiàn),通過輔助生殖技術(shù)獲得的胚胎甲基化水平顯著高于體內(nèi)發(fā)育胚胎。綜上表明,體細(xì)胞克隆胚胎供體細(xì)胞基因組DNA甲基化的擦除和重新建立對其后續(xù)SCNT胚胎發(fā)育至關(guān)重要,與受精胚胎相似的DNA甲基化模式更有利于克隆胚胎的發(fā)育。

1.3 克隆胚胎表觀修飾異常

克隆胚胎表觀修飾異常是導(dǎo)致SCNT胚胎發(fā)育異常的最主要原因,包括組蛋白異常修飾和X染色體失活異常等。哺乳動物基因組組蛋白的N端存在多種修飾,其中最常見的是組蛋白甲基化和乙?;揎?。組蛋白甲基化是調(diào)控早期胚胎發(fā)育的重要遺傳標(biāo)記,在胚胎發(fā)育的各個階段均發(fā)揮著重要作用。正常豬體外受精胚胎組蛋白H3第4和第27位賴氨酸的三甲基化位點(diǎn)(H3K4me3和H3K27me3)參與調(diào)控ZGA 的發(fā)生和退出,而SCNT胚胎H3K4me3和H3K27me3大量富集則會導(dǎo)致異常的ZGA[21]。SCNT 胚胎H3K27me3 和H3K9me3的不完全去甲基化使胚胎發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)下降,將導(dǎo)致胚胎發(fā)育阻滯[17]。有研究分別通過RRBS-seq及單細(xì)胞測序等手段發(fā)現(xiàn)小鼠SCNT胚胎Kdm4d和Kdm5b(2種特異性去甲基化酶)的表達(dá)水平在胚胎發(fā)育中發(fā)揮重要作用,Kdm5b與胚胎4-細(xì)胞到8-細(xì)胞階段的發(fā)育速率明顯相關(guān)[18],Kdm4d可調(diào)控SCNT胚胎在2-細(xì)胞階段基因組的正常激活[22]。

組蛋白乙酰化對基因轉(zhuǎn)錄激活具有重要的調(diào)控作用,與SCNT胚胎的體外成熟與發(fā)育能力密切相關(guān)。檢測SCNT胚胎發(fā)現(xiàn),異常的組蛋白乙?;瘯?dǎo)致胚胎2-細(xì)胞期的基因組異常激活[23]。與豬體外受精胚胎相比,SCNT胚胎1-細(xì)胞與2-細(xì)胞期組蛋白H3第18位和組蛋白H4第8位賴氨酸位點(diǎn)乙?;℉3K18ac、H4K8ac)水平均顯著降低[24]。與豬受精胚胎相比,豬SCNT胚胎在基因組激活后H3K27ac出現(xiàn)異常[25]。綜上說明,組蛋白甲基化和乙?;膭討B(tài)修飾模式對于維持正常的胚胎發(fā)育至關(guān)重要。

此外,X染色體失活異常也是導(dǎo)致SCNT胚胎發(fā)育異常的重要表觀遺傳修飾障礙。SCNT胚胎X染色體失活異常不僅與印記基因Xist 的調(diào)控密切相關(guān),也與DNA甲基化以及組蛋白修飾相關(guān)。張寧等[26]研究發(fā)現(xiàn),發(fā)育異常的SCNT胚胎Xist 基因的DNA 甲基化水平普遍高于正常胚胎,且其DNA甲基化水平與囊胚率之間存在顯著負(fù)相關(guān)。研究表明,Xist 基因的調(diào)控與母源組蛋白甲基化有關(guān),H3K27me3可抑制母源Xist 基因在X染色體失活中發(fā)揮的作用,導(dǎo)致SCNT胚胎發(fā)育阻滯,而胚胎中X染色體失活通常伴隨著H3K9甲基化的發(fā)生[2728]。另外,Xist 基因異?;罨蓪?dǎo)致胚胎致死或者受體母豬流產(chǎn),而敲除供體細(xì)胞的Xist 基因或利用非編碼RNA干擾胚胎中Xist 基因的異常表達(dá)均可顯著提高豬SCNT胚胎發(fā)育率[2930]。

2 提高豬體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育率的方法

2.1 選擇合適的供體細(xì)胞

在豬SCNT研究中,多種類型體細(xì)胞被用作核移植的供體細(xì)胞,至少有10種細(xì)胞已被證實(shí)了具有重編程能力,目前應(yīng)用較廣泛的是豬胎兒成纖維細(xì)胞和豬腎成纖維細(xì)胞[31]。不同類型供體細(xì)胞的克隆效率存在差異。Wei等[32]比較了用于SCNT的PFF、新生豬成纖維細(xì)胞和成年豬成纖維細(xì)胞的重編程能力,結(jié)果表明,PFF 和新生豬成纖維細(xì)胞SCNT胚胎的卵裂率、囊胚率和妊娠率均高于成年豬成纖維細(xì)胞。此外,Jiao等[33]比較了供體細(xì)胞大小對SCNT胚胎發(fā)育的影響,結(jié)果表明,小于13 μm體細(xì)胞的卵裂率顯著高于13~18 μm,囊胚率和囊胚細(xì)胞數(shù)同樣顯著高于13 μm以上的體細(xì)胞,說明直徑小于13 μm的PFF更有利于SCNT胚胎發(fā)育。

干細(xì)胞(stem cell,SC)是具有自我復(fù)制能力、可分化成多種功能細(xì)胞的多潛能細(xì)胞,在現(xiàn)代生物育種(干細(xì)胞育種)中展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢,作為供體細(xì)胞可顯著提高SCNT重編程效率。Lee等[34]比較了精原干細(xì)胞(spermatogonial stem cell,SSC)和PFFs的SCNT效率,發(fā)現(xiàn)SSC作為供體細(xì)胞的SCNT胚胎具有更高的囊胚率,是生產(chǎn)豬SCNT胚胎的理想供體細(xì)胞類型,用脫氨膽堿處理核供體SSC可進(jìn)一步提高克隆胚胎的生產(chǎn)效率。另有研究發(fā)現(xiàn),BMSC-NT胚胎具有更活躍的表觀遺傳標(biāo)記和更少的抑制性表觀遺傳標(biāo)記,胚胎卵裂率和囊胚率接近IVF胚胎,且顯著高于FF-NT胚胎;進(jìn)一步用RRBS-seq 發(fā)現(xiàn),在BMSC-NT 胚胎中,NANOG 和POU5f1 基因啟動子區(qū)域DNA 甲基化水平低于FF-NT[16]。另外,BMSC的RNA N6-甲基腺苷(m6A)修飾水平比豬胚胎成纖維細(xì)胞高,更有利于SCNT胚胎發(fā)育[35]。以上說明,供體細(xì)胞的初始表觀遺傳狀態(tài)差異對SCNT胚胎重編程有一定影響,具有開放染色質(zhì)狀態(tài)的干細(xì)胞更有利于供體細(xì)胞核重編程,可促進(jìn)SCNT胚胎的發(fā)育。

2.2 優(yōu)化卵母細(xì)胞體外成熟體系、去核及激活方式

優(yōu)質(zhì)卵母細(xì)胞是SCNT的基礎(chǔ),IVM培養(yǎng)液是影響卵母細(xì)胞質(zhì)量的關(guān)鍵因素。諸多研究表明,IVM培養(yǎng)液中添加促成熟因子可有效改善卵母細(xì)胞的成熟質(zhì)量(表1)。

卵母細(xì)胞的去核是否完全是影響核移植效率關(guān)鍵因素之一。卵母細(xì)胞去核方法有多種,包括盲摘法、化學(xué)藥物誘導(dǎo)去核法、DNA染色熒光去核法等,其中大部方法步驟繁瑣且需要借助顯微操作儀才能完成。相比以上方法,手工克隆技術(shù)(handmade cloning,HMC)不需要借助顯微操作儀等昂貴設(shè)備,借助顯微切割刀去除極體下面的少量胞質(zhì)即可達(dá)到去核目的,無需用Hoechst 33342染色以及紫外光檢測,避免了紫外線照射對胚胎發(fā)育產(chǎn)生的不利影響[48]。任子利等[49]研究表明,用脫羰秋水酰堿輔助去核,可提高去核率和克隆胚胎囊胚率。HMC得到的胚胎無透明帶,在胚胎體外培養(yǎng)液(invitro culture,IVC)容易暴露于有毒物質(zhì)中,且需要2個卵母細(xì)胞重構(gòu)1個胚胎,需要大量的卵母細(xì)胞,同時會帶來線粒體異質(zhì)性問題。因此,Lee等[50]建立了一種改良手工克隆技術(shù),用1枚卵母細(xì)胞構(gòu)建1個重構(gòu)胚來解決卵母細(xì)胞去核過程中卵母細(xì)胞損耗和線粒體異質(zhì)性的問題。此外,得益于人工智能的快速發(fā)展,一種無標(biāo)記機(jī)器人精準(zhǔn)去核技術(shù)可減少SCNT去核過程中的細(xì)胞質(zhì)丟失,去核成功率達(dá)95%,來自機(jī)器人去核卵母細(xì)胞的克隆胚胎卵裂率是盲摘法的2倍,并顯著提高了克隆效率[51]。

供體細(xì)胞與去核卵母細(xì)胞融合后,需要進(jìn)一步激活重構(gòu)胚才能使其正常發(fā)育。當(dāng)前應(yīng)用于豬SCNT重構(gòu)胚激活方法可分為物理激活、化學(xué)激活和聯(lián)合激活3大類。目前應(yīng)用最為普遍的是聯(lián)合激活,與單純化學(xué)激活和物理激活相比,聯(lián)合激活對重構(gòu)胚的激活效率更高。石俊松等[52]比較了2 種電激活方式(同步融合激活法和延遲激活法),發(fā)現(xiàn)延遲激活雖然會降低重構(gòu)胚的融合率,但能夠顯著提高克隆胚胎的卵裂率和囊胚率。

2.3 添加小分子化合物促進(jìn)重構(gòu)胚發(fā)育

諸多研究人員使用表觀遺傳修飾相關(guān)小分子化合物用于處理SCNT 供體細(xì)胞,以改善異常DNA 甲基化提高胚胎發(fā)育率。研究發(fā)現(xiàn),0.25~0.50 μmol·L?1的5-氮雜-2’脫氧胞苷(5-Aza-CdR)處理PFF 72 h,可提高豬克隆胚胎囊胚發(fā)育率[53];用5 μmol·L?1 非核苷類 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase,DNMT)抑制劑RG108 處理PFF72 h可改善其核重編程,降低PFF基因組的DNA甲基化的時間依賴性和印記基因 h19的甲基化水平,改善豬SCNT胚胎發(fā)育,提高SCNT效率[54]。謝穎瑜等[55]研究表明,0.1 mmol·L?1的S-腺苷高半胱氨酸處理豬成纖維細(xì)胞24 h,可降低DNMT轉(zhuǎn)錄水平和整體DNA甲基化水平,具有誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞分化、改善克隆效率的潛能。

越來越多的研究表明,在IVC中添加表觀遺傳修飾小分化合物培養(yǎng)克隆胚胎,可糾正表觀重編程錯誤,調(diào)控胚胎發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá),從而提高豬SCNT胚胎發(fā)育率(表2)。

3 展 望

近年來,隨著高通量多組學(xué)測序技術(shù)(如DNA測序、轉(zhuǎn)錄譜、ChiIP-Seq等)在全基因組水平上的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,克隆胚胎發(fā)育過程中的重編程障礙機(jī)制逐漸被發(fā)現(xiàn)。利用DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑、組蛋白去乙?;敢种苿┑雀纳票碛^重編程的策略,在提高克隆胚胎發(fā)育的研究中取得了較大進(jìn)展,但克隆動物的出生率和健仔率依然很低。

在未來的研究中,提高SCNT 胚胎的發(fā)育率仍然是體細(xì)胞克隆研究的重點(diǎn)方向。隨著研究人員對克隆胚胎發(fā)育機(jī)制的研究逐步加深,更多調(diào)控SCNT胚胎發(fā)育的特異性靶點(diǎn)逐漸被發(fā)現(xiàn),有待開發(fā)出更多、更有效的特異性表觀遺傳修飾相關(guān)小分子化合物、基因特異性干擾RNA及其組合方法,聯(lián)合最新測序技術(shù)和最新基因編輯技術(shù),快速解析表觀遺傳重編程機(jī)制,克服SCNT胚胎發(fā)育過程中的重編程障礙,從而大幅提高克隆胚胎的發(fā)育率。當(dāng)前微量細(xì)胞測序技術(shù)已應(yīng)用于解析SCNT異常機(jī)制,小鼠SCNT胚胎發(fā)育率得到很大改善,囊胚率達(dá)80%以上[23]。豬SCNT可以借鑒相應(yīng)技術(shù),進(jìn)一步改善豬體細(xì)胞克隆胚胎的發(fā)育率。

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