2022
07/08
相关创新主体

    创新背景

    近年来,随着生物医药研发的快速发展,全球对生物遗传资源的需求越来越高。与此同时,许多国家已经在开展对人类和动物物种遗传资源的保护工作,以便在未知传染病或环境变化(如全球变暖)发生时维系生命、拯救濒危物种,以维持地球生物多样性。因此,采集、保藏和研究动物遗传资源是一项必要的任务,对于生命科学基础研究和临床医学应用开发具有重要的科学意义。

    目前的生物样本储存方法依赖于超低温存储,例如将哺乳动物的精子或胚胎冷冻保存在液氮(LN2)中。然而,液氮的维护成本高昂,而且容易受到断电故障等突发事件的影响。

    一些研究人员尝试冷冻干燥(FD)精子,以提高遗传物质的稳定性和存储安全性,但该方法受制于获取健康精子的能力。过去的研究提出了从体细胞产生克隆后代的可能性,因此,这些细胞或许可以用作保存遗传物质。

     

    创新过程

    2022年7月5日,日本山梨大学的若山照彦博士等人在 Nature 子刊 Nature Communications 上发表了题为:Healthy cloned offspring derived from freeze-dried somatic cells 的研究论文。

    该团队首次使用冷冻干燥的体细胞克隆出具有正常繁殖能力的小鼠,并成功培育出它们健康后代。该研究为保存物种遗传资源的生物样本库开辟了一条廉价且安全可行的方案。

    早在1998年,若山照彦等人就在 Nature Biotechnology 期刊首次报道冷冻干燥保存三个月之久的小鼠精子的细胞核仍可以支持正常的胚胎发育,在注入具有较强 DNA 修复能力的卵母细胞后能够发育为正常小鼠,并成功产生后代;但冷冻干燥技术还未应用于精子以外的细胞。

    其实,从第一只克隆青蛙到第一个哺乳动物被克隆成功后,科学家们就已经开始利用体细胞产生克隆后代。这意味着,体细胞也可以作为一种遗传资源使用。

    在这项新研究中,该团队开发了一种冷冻干燥体细胞的方法,通过核移植从冷冻干燥体细胞核克隆整只小鼠。核移植是将供体细胞核移入去核的卵母细胞中,使后者不经过精卵结合的有性过程即可被激活、分裂并发育,从而让核供体的基因得到完全复制,在培养一段时间后,再把发育中的卵母细胞移植到动物体内,让其发育并最终生产。

    冷冻干燥体细胞克隆小鼠的制备过程示意图

    首先,研究团队将体细胞冷冻干燥在 -30°C 下存储 9 个月。他们发现许多体细胞的克隆胚胎在单细胞期表现出 DNA 损伤,或在二细胞期表现出染色体异常。相比之下,在冷冻干燥处理前加入对精子和体细胞具有抗氧化作用的表没食子儿茶素,可以提高核重塑率和囊胚发育率。通常,在核移植方法中,注入的细胞核在 2 小时内形成染色体早熟凝集(PCC)的情况被称为核重塑。

    来自新鲜、冻融(FT)和冷冻干燥(FD)体细胞核的克隆胚胎的异常染色体分离

    虽然所有精子在冷冻干燥过程中死亡,且 DNA 出现了损伤,但在注入卵母细胞后,研究人员成功进行了体细胞核移植并产生了囊胚(早期胚胎),建立了稳定的小鼠核移植胚胎干细胞系(ntES)。然后,他们利用 ntES 细胞作为核共体进行再克隆获得了健康的雌性和雄性后代,成功率为 0.2-5.4% 。

    ntES细胞系的建立及冷冻干燥体细胞克隆小鼠的制备

    研究人员表示,虽然目前从冷冻干燥体细胞克隆小鼠的出生率仍然很低,且细胞必须保存在 -30°C ,但体细胞可以在冷冻干燥状态下长期储存,并用作产生后代的供体。更重要的是,体细胞可以很容易地从任何动物身上采集,包括不育或未成熟/年老的动物。因此,体细胞一旦在环境温度下储存,就可以成为保存遗传资源的一种有价值的方法。

    随后,研究人员选择了9只雌性小鼠和3只雄性克隆小鼠,分别与雄性和雌性小鼠交配。最终,所有雌性小鼠都产下了一只小鼠幼崽。这表明,这些克隆动物具有正常的繁殖能力。

    研究人员指出,冷冻干燥比现有存储细胞的方法造成更多的 DNA 损伤,但克隆的成功率表明这是一种可行的替代选择。因此,冷冻干燥体细胞可以以安全和低成本的方式存储任何动物的遗传物质,为更廉价、更安全的无液氮生物样本库提供了解决方案。

     

    创新价值

    该团队首次使用冷冻干燥的体细胞克隆出具有正常繁殖能力的小鼠,并成功培育出它们健康后代。该研究为保存物种遗传资源的生物样本库开辟了一条廉价且安全可行的方案。

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