王冰源，牟玉蓮，李奎，劉志國

綜 述

農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞研究進(jìn)展

王冰源，牟玉蓮，李奎，劉志國

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193

干細(xì)胞技術(shù)是近年來被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)。獲取具有無限增殖能力和分化能力的干細(xì)胞系主要有3種途徑：(1)從胚胎分離胚胎干細(xì)胞；(2)從成體組織分離成體干細(xì)胞；(3)通過體外誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，畜禽干細(xì)胞的分離、培養(yǎng)、建系有望顯著提升體細(xì)胞克隆和細(xì)胞水平基因修飾的效率；干細(xì)胞體外誘導(dǎo)配子技術(shù)能夠極大簡(jiǎn)化基因編輯畜禽的制備流程，提升制備效率。同時(shí)，通過結(jié)合基因編輯、顯微注射、干細(xì)胞移植、胚胎移植等技術(shù)，干細(xì)胞技術(shù)在基因編輯動(dòng)物的生產(chǎn)、組織和器官的供體制備、體外配子誘導(dǎo)及遺傳重組胚胎制備、疾病治療靶點(diǎn)的篩選，以及新藥藥理研究等方面都具有極大的應(yīng)用潛力，對(duì)農(nóng)業(yè)動(dòng)物的遺傳改良、疾病防治具有重要意義。本文綜述了干細(xì)胞相關(guān)研究在農(nóng)業(yè)動(dòng)物包括豬()、牛()、雞()、山羊()和綿羊()中的新進(jìn)展，以期為農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞領(lǐng)域的相關(guān)研究提供參考。

豬；牛；雞；山羊；綿羊；干細(xì)胞

干細(xì)胞是一類具有自我更新和分化能力的細(xì)胞，在一定條件下可以分化為多種功能的細(xì)胞。根據(jù)干細(xì)胞在體內(nèi)所處的發(fā)育階段可將其分類為胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells, ESCs)和成體干細(xì)胞[1,2]。而通過向體外培養(yǎng)的體細(xì)胞中轉(zhuǎn)染重編程因子可誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞，即誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)，iPSCs的出現(xiàn)極大地豐富了干細(xì)胞的來源[3,4]。干細(xì)胞具有體外可操作性、能夠減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用數(shù)量、提供有效和持久的疾病治療方法以及豐富的實(shí)驗(yàn)素材等優(yōu)點(diǎn)。在干細(xì)胞的體外培養(yǎng)過程中，通過基因編輯等操作獲得穩(wěn)定傳代的基因編輯干細(xì)胞系，能夠用以制備基因編輯動(dòng)物、定向誘導(dǎo)組織修復(fù)或器官生成、誘導(dǎo)配子生成、篩選治療靶點(diǎn)以及研究新藥藥理等[5,6]，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

近幾十年來畜禽胚胎干細(xì)胞系的建立進(jìn)展十分緩慢，直至近些年豬()、山羊()、綿羊()和雞()的ESCs研究才獲得初步進(jìn)展[7~9]。而相比其他農(nóng)業(yè)動(dòng)物，豬的干細(xì)胞相關(guān)研究更加豐富，涉及豬ESCs、iPSCs、精原干細(xì)胞、腸道干細(xì)胞、牙胚干細(xì)胞、胰腺干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和皮膚干細(xì)胞等。牛()、山羊、綿羊和雞的相關(guān)研究主要集中在ESCs、iPSCs、間充質(zhì)干細(xì)胞和生殖干細(xì)胞等。因此，本文總結(jié)了豬、牛、山羊、綿羊和雞等農(nóng)業(yè)動(dòng)物ESCs、iPSCs以及成體干細(xì)胞的相關(guān)研究進(jìn)展，重點(diǎn)綜述了豬干細(xì)胞的研究進(jìn)展，以期為相關(guān)理論和應(yīng)用研究提供參考。

1 豬干細(xì)胞研究進(jìn)展

1.1 豬胚胎干細(xì)胞

對(duì)畜禽干細(xì)胞進(jìn)行基因編輯可用于制備基因編輯農(nóng)業(yè)動(dòng)物，從而獲得具有生長(zhǎng)快、抗病力強(qiáng)、高產(chǎn)等優(yōu)良性狀的畜禽品種。盡管已經(jīng)能夠成功分離一些農(nóng)業(yè)動(dòng)物的ESCs，但由于這些ESCs缺乏種系嵌合能力，即難以形成包括生殖系在內(nèi)的嵌合體，并且在經(jīng)過有限的傳代后很容易分化或死亡，使得農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞建系相較模式動(dòng)物進(jìn)展緩慢[7~9]。此外，在將干細(xì)胞療法應(yīng)用于人類之前，有必要用可接受的動(dòng)物模型驗(yàn)證這些方法的安全性和有效性。而豬被用作臨床前實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型，日益受到關(guān)注，因此迫切需要建立豬胚胎干細(xì)胞系。近年來，豬ESCs的相關(guān)研究取得了一定的進(jìn)展。2009年，Yang等[7]通過電穿孔轉(zhuǎn)染策略，將綠色熒光蛋白(green fluorescent protein, GFP)轉(zhuǎn)入第44代豬胚胎干細(xì)胞系，獲得了穩(wěn)定表達(dá)GFP并能持續(xù)體外增殖90代的GFP-ESCs。這些GFP-ESCs具有正常的核型和胚胎干細(xì)胞的典型特征，包括表達(dá)標(biāo)志基因、堿性磷酸酶陽性、能夠形成類胚體、誘導(dǎo)條件下能夠分化為神經(jīng)細(xì)胞和心肌細(xì)胞譜系。2012年，Haraguchi等[10]將豬內(nèi)細(xì)胞團(tuán)在添加抑制劑和抑制劑的人ESCs培養(yǎng)基中擴(kuò)大培養(yǎng)，獲得了連續(xù)培養(yǎng)100多代的豬ESCs。這些ESCs具有堿性磷酸酶活性，表達(dá)標(biāo)志基因和，多次傳代后未發(fā)生形態(tài)改變。此后，Siriboon等[11]嘗試使用高質(zhì)量克隆豬囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)分離ESCs，在培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)這些囊胚具有更好的附著力、生長(zhǎng)能力和原始克隆形成能力。分離培養(yǎng)出的細(xì)胞經(jīng)過25次傳代未發(fā)生分化，表達(dá)ESCs標(biāo)志基因、、和，能體外分化為表達(dá)三胚層標(biāo)志基因的類胚體。綜上所述，豬ESCs的相關(guān)研究仍處于探索能夠獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定傳代培養(yǎng)的建系階段，亟需加快豬ESCs的分化和生殖系嵌合等技術(shù)及理論的相關(guān)研究。

1.2 豬誘導(dǎo)多能干細(xì)胞

近10年，豬iPSCs的相關(guān)研究取得了較大的進(jìn)展。2009年，Esteban等[12]將小鼠()、、、或人、、、通過逆轉(zhuǎn)錄病毒載體轉(zhuǎn)入藏豬的成纖維細(xì)胞中，成功誘導(dǎo)出iPSCs。這些藏豬iPSCs具有和人ESCs相似的形態(tài)，核型正常，堿性磷酸酶陽性，表達(dá)ESCs標(biāo)志基因、、和，并能夠分化為具有三胚層的畸胎瘤。Chakritbud-sabong等[13]使用人源的、、、和通過逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)方法將豬的胚胎成纖維細(xì)胞誘導(dǎo)為iPSCs，這些豬iPSCs經(jīng)堿性磷酸酶染色呈陽性，表達(dá)干細(xì)胞標(biāo)志基因、、和，能夠分化形成類胚體和畸胎瘤。進(jìn)一步向心肌方向誘導(dǎo)分化后，產(chǎn)生了持續(xù)跳動(dòng)并表達(dá)標(biāo)志基因心臟肌鈣蛋白T的心肌細(xì)胞。Gallegos- Cdsabong等[14]將豬iPSCs分化為神經(jīng)玫瑰狀細(xì)胞，模擬人iPSCs的神經(jīng)分化，為人類神經(jīng)細(xì)胞療法提供相關(guān)數(shù)據(jù)。此后，Webb等[15]證明了豬iPSCs分化得到的神經(jīng)玫瑰狀細(xì)胞可以進(jìn)一步分化為神經(jīng)嵴細(xì)胞和與周圍神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的其他類型細(xì)胞。該研究用骨形態(tài)發(fā)生蛋白4或胎牛血清處理神經(jīng)玫瑰狀細(xì)胞可使其進(jìn)一步分化為陽性的感覺細(xì)胞，利用這些分化獲得的豬的感覺神經(jīng)細(xì)胞來檢測(cè)其對(duì)有害刺激、鎮(zhèn)痛藥和修復(fù)機(jī)制的反應(yīng)，可平行比較人和豬的感覺神經(jīng)細(xì)胞的相似性。同時(shí)，豬感覺神經(jīng)元的體外分化為神經(jīng)細(xì)胞亞型的形成提供了一個(gè)新的模型系統(tǒng)，也為再生療法的研究提供了一個(gè)新的平臺(tái)。此外，Liao等[16]將豬iPSCs誘導(dǎo)分化為成骨樣細(xì)胞，將這些成骨樣細(xì)胞移植到蘭嶼豬的左脛骨后可顯著改善移植部位的小梁骨結(jié)構(gòu)，證實(shí)了豬iPSCs來源的成骨樣細(xì)胞的治療潛力。而Talbot等[17,18]將豬iPSCs誘導(dǎo)分化為肝臟干細(xì)胞系，此細(xì)胞系能在無飼養(yǎng)層條件下持續(xù)培養(yǎng)，并能夠在體外分化為膽管或單層肝細(xì)胞。2019年Xu等[19]將豬的周細(xì)胞通過逆轉(zhuǎn)錄病毒載體轉(zhuǎn)染、、和誘導(dǎo)產(chǎn)生iPSCs，將iPSCs培養(yǎng)在含重組人LIF、CHIR 99021、(S)-(+)-馬來酸二甲茚酯((S)-(+)-dimethindene maleate)和鹽酸米諾環(huán)素(minocycline hydrochloride)的基礎(chǔ)培養(yǎng)基中，這些iPSCs表達(dá)標(biāo)志基因、和，核型正常，能夠分化為類胚體并表達(dá)外胚層、中胚層和內(nèi)胚層這3個(gè)胚層的標(biāo)志基因。最重要的是，這些帶有GFP的iPSCs顯微注射到豬核移植胚胎4~8細(xì)胞中并培養(yǎng)至囊胚期后，內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞均有綠色GFP的表達(dá)。進(jìn)一步將注射了GFP-iPSCs的核移植胚胎移植到代孕母豬后，在胚胎25~30天產(chǎn)生了4只存活的胎兒，盡管熒光顯微鏡下未見綠色的GFP，但在胚胎和胚外組織中通過巢式PCR可以檢測(cè)到GFP序列的表達(dá)。綜上所述，近年來豬iPSCs的研究取得了較大進(jìn)展，也為豬ESCs的相關(guān)研究提供了技術(shù)參考。

1.3 豬精原干細(xì)胞

精原干細(xì)胞(spermatogonial stem cells, SSCs)能夠自我更新并分化為成熟的功能性精子，是雄性哺乳動(dòng)物體內(nèi)唯一可以將遺傳信息傳遞給下一代的成體干細(xì)胞。豬SSCs在制備基因編輯豬及建立用于再生醫(yī)學(xué)的模型豬方面均具有重要價(jià)值。但一直以來，由于豬SSCs數(shù)量少以及缺乏理想的培養(yǎng)體系，豬SSCs的相關(guān)研究和應(yīng)用受到了極大的阻礙。然而，令人激動(dòng)的是，2020年，Zheng等[20]將表達(dá)猿猴病毒40(SV40)大T抗原的質(zhì)粒通過慢病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)到豬的原代SSCs中，建立了具有豬SSCs屬性的永生化細(xì)胞系。這些永生化細(xì)胞表達(dá)SSCs和生殖細(xì)胞的標(biāo)志基因，對(duì)視黃酸處理有分化反應(yīng)，在移植后能夠定植于受體小鼠睪丸而無腫瘤形成。同時(shí)，這些細(xì)胞具有無限的增殖潛能，體外培養(yǎng)7個(gè)多月，傳35代以上，仍未出現(xiàn)形態(tài)異常，標(biāo)志著首次建立了豬SSCs細(xì)胞系。而豬SSCs細(xì)胞系的成功建立，能夠?yàn)樨iSSCs相關(guān)研究提供豐富的細(xì)胞來源，促進(jìn)豬SSCs培養(yǎng)體系的開發(fā)及其在畜牧業(yè)中的應(yīng)用。

1.4 豬其他類型成體干細(xì)胞

豬間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)來源廣泛，具有增殖和多種分化潛能，且與人的MSCs具有很高的相似性，因此具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。Huang等[21]分離獲得豬骨髓MSCs和臍帶MSCs后，首次發(fā)現(xiàn)豬骨髓MSCs相比臍帶MSCs具有更強(qiáng)的遷移能力。進(jìn)行蛋白質(zhì)組比較分析，發(fā)現(xiàn)了95個(gè)差異蛋白，其中VIMENTIN具有正向調(diào)控MSCs遷移的作用。隨后的研究還發(fā)現(xiàn)半乳糖凝集素3通過抑制RhoA-GTP活性而促進(jìn)豬骨髓MSCs的遷移[22]。豬胰腺干細(xì)胞在II型糖尿病的移植治療中具有重要價(jià)值，Han等[23]建立了動(dòng)態(tài)表達(dá)的豬胰腺干細(xì)胞系，并發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)豬胰腺干細(xì)胞的增殖潛力，為進(jìn)一步研究豬胰腺干細(xì)胞的發(fā)育和分化提供了重要的工具。牙齒來源的干細(xì)胞作為組織再生的一種新來源，其優(yōu)勢(shì)為非侵入性的收集過程，以及在獲得和使用方面不涉及倫理問題。Gurel等[24]從6月齡豬的下頜第三磨牙牙胚中分離出牙胚干細(xì)胞，這是首次報(bào)道的豬牙胚干細(xì)胞分離和鑒定研究。此外，Lermen等[25]首次分離擴(kuò)增了成年豬皮膚來源的干細(xì)胞樣細(xì)胞，在體外維持超過120天的增殖活性，表達(dá)多能因子和，并能向神經(jīng)、肌肉和脂肪樣細(xì)胞分化。腸道干細(xì)胞位于Lieberkek隱窩的底部，負(fù)責(zé)體內(nèi)穩(wěn)態(tài)和損傷后的腸道修復(fù)。Stieler等[26]報(bào)道了一種從腸道缺血環(huán)中分離腸道干細(xì)胞及培養(yǎng)的方法，可用于研究腸道干細(xì)胞在體外進(jìn)行的上皮修復(fù)過程。綜上所述，豬的各類成體干細(xì)胞的分離和培養(yǎng)的成功，為體外相關(guān)機(jī)理的研究提供了豐富的實(shí)驗(yàn)材料，也為組織修復(fù)及器官生成提供了素材，在農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 其他農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞研究進(jìn)展

2.1 牛干細(xì)胞

牛ESCs的相關(guān)研究也處于建立穩(wěn)定長(zhǎng)期傳代的胚胎干細(xì)胞系階段。Bogliotti等[27]使用含有成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2和經(jīng)典Wnt信號(hào)通路抑制劑的培養(yǎng)系統(tǒng)，獲得了形態(tài)穩(wěn)定、表達(dá)多能性標(biāo)記基因并具有表觀遺傳學(xué)特征的牛ESCs。這些ESCs可快速建立克隆(3~4周)且易于增殖傳代。當(dāng)用作核移植的供體時(shí)，能獲得與對(duì)照組相似的囊胚率。牛MSCs因其再生潛力和可塑性，受到了廣泛關(guān)注。同時(shí)，MSCs易于分離并且具有抗炎和血管生成能力。在分離培養(yǎng)或復(fù)蘇培養(yǎng)后，可將MSCs用于自體或同種異體治療，使得干細(xì)胞治療在臨床上更具吸引力。目前已知牛MSCs的標(biāo)志基因包括、、、、和等。牛MSCs可從骨髓、脂肪組織、臍帶、胎盤、子宮和肺等組織分離獲得。MSCs療法在生產(chǎn)中可應(yīng)用到乳腺炎、繁殖、骨損傷、關(guān)節(jié)損傷、糖尿病等疾病[28]，可見牛MSCs具有廣闊的應(yīng)用前景。

將動(dòng)物體細(xì)胞重編程為iPSCs的機(jī)制并不是高度保守的，Pillai等[29]在誘導(dǎo)牛iPSCs形成的過程中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化的小鼠和人的iPSCs誘導(dǎo)條件并不能有效誘導(dǎo)牛體細(xì)胞產(chǎn)生iPSCs，使用能夠改進(jìn)小鼠和人體細(xì)胞重編程效率的方法也對(duì)誘導(dǎo)牛體細(xì)胞產(chǎn)生iPSCs沒有影響。盡管使用編碼牛、、、和的逆轉(zhuǎn)錄病毒載體似乎能誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞產(chǎn)生iPSCs樣細(xì)胞，但這些克隆不能維持生長(zhǎng)，說明牛iPSCs的培養(yǎng)條件和重編程還不完全，仍需進(jìn)一步的改進(jìn)。

牛奶是新生嬰兒發(fā)育、營養(yǎng)和免疫保護(hù)所需的重要且復(fù)雜的液態(tài)物質(zhì)。Pipino等[30]試圖分離牛奶中潛在的多能干細(xì)胞樣細(xì)胞群體，并研究其特征。發(fā)現(xiàn)分離出的牛奶干細(xì)胞表達(dá)典型的間充質(zhì)表面抗原(、和)、干細(xì)胞標(biāo)記基因(和)，并能分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。這些結(jié)果提示牛奶也可以作為分化為多種細(xì)胞譜系的多能干細(xì)胞來源，進(jìn)一步豐富了牛成體干細(xì)胞的來源。

2.2 山羊和綿羊干細(xì)胞

Pawar等[8]從體外受精的山羊囊胚中分離出內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，并培養(yǎng)出了ESCs樣細(xì)胞，這些細(xì)胞中堿性磷酸酶和的表達(dá)均為陽性。此后，De等[31]對(duì)體外生產(chǎn)的處于桑椹胚、囊胚和孵化囊胚期的山羊胚胎進(jìn)行干細(xì)胞分離培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)孵化囊胚分離效率相對(duì)更高。獲得的克隆保持未分化狀態(tài)培養(yǎng)至第15代，且具有干細(xì)胞形態(tài)特征、正常核型，并表達(dá)干細(xì)胞特異性標(biāo)志基因。長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)后能分化成神經(jīng)元樣和上皮樣細(xì)胞。很快，Garg等[32]也從體外受精的山羊胚胎分離了ESCs，使用飼養(yǎng)層和LIF培養(yǎng)至第22代仍保持未分化狀態(tài)。誘導(dǎo)分化后形成類胚體，并在30天后觀察到心肌細(xì)胞的節(jié)律性跳動(dòng)。雄性生殖干細(xì)胞的自我更新與分化之間的平衡對(duì)于哺乳動(dòng)物精子發(fā)生的啟動(dòng)和維持至關(guān)重要，對(duì)山羊雄性生殖干細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)miR-544通過靶向早幼粒細(xì)胞白血病鋅指蛋白(promyelocytic leukemia zinc finger，PLZF)來調(diào)節(jié)奶山羊雄性生殖系干細(xì)胞的自我更新[33]。對(duì)來自同一個(gè)供體綿羊的MSCs包括牙周膜MSCs、牙髓MSCs和骨髓MSCs等進(jìn)行蛋白質(zhì)組分析，獲得的差異蛋白為相應(yīng)組織的生長(zhǎng)發(fā)育提供了分子基礎(chǔ)[34]。Fadel等[35]通過比較不同的分離和培養(yǎng)方法，初步獲得了臍帶血和腎周脂肪組織來源的MSCs。目前的研究現(xiàn)狀提示山羊和綿羊的干細(xì)胞相關(guān)研究仍需進(jìn)一步深入。

2.3 雞干細(xì)胞

雞ESCs和SSCs相關(guān)研究近年來也取得了較大進(jìn)展。Zhang等[9]從X期的雞胚中分離獲得ESCs，這些ESCs經(jīng)堿性磷酸酶染色呈陽性并表達(dá)干細(xì)胞標(biāo)志基因，通過優(yōu)化電轉(zhuǎn)染方法、孵化方法、顯微注射方法將其注射到雞胚腔后獲得了2只生殖系嵌合雞。用DF-1成纖維細(xì)胞做飼養(yǎng)層，在基礎(chǔ)培養(yǎng)基中添加人類堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(human basic fibroblast growth factor, hbFGF)、小鼠干細(xì)胞因子(mouse stem cell factor, mSCF)和人白血病抑制因子(human leukaemia inhibitory factor, hLIF)后，體外培養(yǎng)的雞ESCs能夠長(zhǎng)期維持干細(xì)胞樣特性，即具有典型的ESCs形態(tài)、表達(dá)干細(xì)胞標(biāo)志基因、具有相對(duì)穩(wěn)定的增殖速率和端粒酶活性，可體外誘導(dǎo)分化為心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞。用該培養(yǎng)體系培養(yǎng)了25代的雞ESCs能夠制備出嵌合體雞，提示DF-1成纖維細(xì)胞是雞ESCs能長(zhǎng)期培養(yǎng)優(yōu)選飼養(yǎng)層細(xì)胞，hbFGF是維持雞ESCs多能性的重要因素[36]。

因SSCs可體外獲取，并不涉及倫理問題等優(yōu)勢(shì)，已日益成為體外干細(xì)胞研究的熱點(diǎn)。經(jīng)過改進(jìn)酶消化、差速貼壁、流式或磁珠富集等現(xiàn)有的雞SSCs分離和純化方法，在添加生長(zhǎng)因子并覆以飼養(yǎng)層細(xì)胞的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，可獲得體外培養(yǎng)的雞SSCs[37]。同時(shí)，利用建系的雞ESCs誘導(dǎo)分化為SSCs，也為SSCs的獲得提供了新途徑。在雞ESCs向SSCs分化的研究中發(fā)現(xiàn)，CRISPR/Cas9介導(dǎo)的缺失抑制雞ESCs分化為SSCs樣細(xì)胞[38]；WNT通路通過促進(jìn)雞ESCs向SSCs分化[39]；成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子8 (fibroblast growth factor 8,)通過動(dòng)態(tài)調(diào)控生殖細(xì)胞自我更新和分化進(jìn)而負(fù)向調(diào)控雞ESCs向SSCs分化[40]；3β羥基類固醇脫氫酶2 (3β-hydroxysteroid dehydrogenase2,)則通過調(diào)節(jié)類固醇激素合成途徑正向調(diào)控雞ESCs向SSCs分化[41]；作為雞SSCs的特異性標(biāo)記，基因通過轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)雞ESCs向SSCs分化[42]。綜上可見，雞ESCs和SSCs的相關(guān)研究已進(jìn)入新的階段，即建系后的機(jī)理研究和分化研究階段，可為其他農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞提供方法和理論參考。

3 結(jié)語與展望

自開展農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞相關(guān)研究以來，雖然對(duì)多種畜禽干細(xì)胞的認(rèn)識(shí)和利用取得了很大的進(jìn)步，但在分離、培養(yǎng)、建系、分化以及應(yīng)用等方面仍存在許多未知的問題。因此，對(duì)品種改良、生產(chǎn)基因編輯動(dòng)物、研制新獸藥、研發(fā)疾病新療法以及組織修復(fù)和器官移植等應(yīng)用，都需要對(duì)畜禽干細(xì)胞進(jìn)行更多更深的探索和研究，同時(shí)也需要長(zhǎng)時(shí)間的不懈努力。目前，豬已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)研究中最受歡迎的大型動(dòng)物模型之一，亦被認(rèn)為是比嚙齒類動(dòng)物模型更好的選擇。在進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)之前，使用豬的干細(xì)胞及其衍生物進(jìn)行研究可作為評(píng)價(jià)藥物或治療的安全性和有效性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

闡明如何將干細(xì)胞分化成精子樣和卵母細(xì)胞樣細(xì)胞，將這些精子樣和卵母細(xì)胞樣細(xì)胞進(jìn)行體外受精，以創(chuàng)建擁有新的遺傳組合的重構(gòu)胚胎，再通過這些重構(gòu)胚胎分離出更多的干細(xì)胞。即可以利用這種“干細(xì)胞–精子樣和卵母細(xì)胞樣細(xì)胞–重構(gòu)胚胎–干細(xì)胞”循環(huán)，在體外快速獲得大量具有特定遺傳效應(yīng)的胚胎，進(jìn)行胚胎移植后獲得特定個(gè)體(圖1)。該策略能夠?qū)崿F(xiàn)縮短世代間隔和加速改善后代性狀的目的，也意味著等待動(dòng)物妊娠的時(shí)間變短，同時(shí)被消耗的動(dòng)物變少，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。綜上所述，干細(xì)胞技術(shù)是未來農(nóng)業(yè)科技快速進(jìn)步不可缺少的重要技術(shù)，畜禽干細(xì)胞的成功和發(fā)展有望顯著提高動(dòng)物克隆和基因編輯的效率，畜禽干細(xì)胞成功誘導(dǎo)分化成配子將極大簡(jiǎn)化畜禽基因工程和合成生物技術(shù)，為畜禽種質(zhì)創(chuàng)新技術(shù)提供重要支撐。

圖1 農(nóng)業(yè)動(dòng)物干細(xì)胞技術(shù)展望

建立豬、牛、山羊、綿羊、雞等農(nóng)業(yè)動(dòng)物來源的“干細(xì)胞–精子樣和卵母細(xì)胞樣細(xì)胞–重構(gòu)胚胎–干細(xì)胞”循環(huán)，可快速高效地獲得具有特定基因或目標(biāo)性狀的個(gè)體。

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Research progress of stem cells in agricultural animals

Bingyuan Wang, Yulian Mu, Kui Li, Zhiguo Liu

As an important biological technology, stem cell technology has been being widely used in the life sciences for a long time. There are three major ways to obtain stem cells with unlimited proliferation and differentiation capabilities, including 1) isolating embryonic stem cells (ESCs) from embryos, 2) isolating adult stem cells from adult tissues, and 3)reprogramming of differentiated somatic cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs). In the field of agriculture, the efficient purification, culture and establishment of livestock and poultry stem cell lines are expected to significantly improve the efficiency of somatic cell cloning and genetic modification of cells. The technology of stem cell induced-gamete production will greatly simplify the generation process, and consequently improve the generation efficiency of genetically modified animals. In addition, by combining with gene editing, microinjection, stem cell transplantation, and embryo transfer, stem cell technology has great potential in the production of genetically modified animals, tissue and organ donors,induced gametes and genetically reconstructed embryos, in the screening of disease treatment targets, and in the research of new drug pharmacology, which is of great significance to the genetic improvement, disease prevention and treatment for agricultural animals. In this review, we summarize the current research progress of stem cells in agricultural animals, including pig (), cattle (, chicken (, goat () and sheep (, to provide information for the studies in the field of stem cells in agricultural animals.

pig; cattle; chicken; goat; sheep; stem cell

2020-06-16;

2020-09-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：31702083) 和中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(編號(hào)：2020-YWF-YB-06) 資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 31702083) , and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. 2020-YWF-YB-06)]

王冰源，博士研究生，助理研究員，研究方向：動(dòng)物遺傳育種與繁殖。E-mail: wangbingyuan@caas.cn

劉志國，博士研究生，助理研究員，研究方向：動(dòng)物遺傳育種與繁殖。E-mail: liuzhiguo@caas.cn

10.16288/j.yczz.20-180

https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20201028.1052.001.html

URI: 2020/10/28 14:54:51

(責(zé)任編委: 李明洲)