克隆胚胎:我有何错,竟死腹中?

知识分子2018-07-21 23:06:49

克隆的成功率一直很低,尤其在灵长类动物身上。图为克隆猴“中中”和”华华”。


撰文 | 彭若诗

责编 | 王承志


      


克隆胚胎移植进代孕母鼠体内后,常常停止发育,胎死腹中。研究发现,一种从带来的“印迹”缺失可能要对此负责。


7月19日,美国哈佛医学院领导的研究团队在《细胞·干细胞》Cell  Stem Cell刊发的一项研究指出,克隆形成的胚胎中,原供体细胞核里的一种“印迹”的丢失可能导致了胚胎发育异常,存活率低。


“这一研究为我们理解体细胞核移植技术的成功率受到哪些限制做出了有用的贡献。”英国发育生物学家、2012年诺贝尔生理学或医学奖获得者约翰·格登(John Gurdon)告诉《知识分子》,“研究显示,通过同时克服H3K27me3修饰和它的印迹造成的抑制,的存活率可能大大提高。”


克隆的成功率一直很低,尤其在灵长类动物身上。今年年初报道的克隆猴“中中”、“华华”是低效率条件下存活的幸运儿——中国科学院上海神经科学研究所使用了127个卵细胞、21只代孕猴子,才得到“中中”和“华华”。


如何提高克隆效率,是科学家们一直在探讨的问题。


研究者通常采用体细胞核移植技术实现克隆:把体细胞的细胞核取出来,放到一个去掉了细胞核的卵细胞中,利用卵细胞中的环境,帮助体细胞的基因获得非常类似于受精卵中的“状态”。克隆的效率不高,主要是供体细胞核的基因“状态”出了问题。


组蛋白上的各种修饰可以影响基因的“状态”。2012年,张毅团队开始寻找体细胞核移植得到的小鼠胚胎(以下简称“核移植胚胎”)中,哪些修饰出了错。


2014年,他们发现,发生在组蛋白H3上的第9个氨基酸赖氨酸(K9)上的三甲基化(trimethylation)修饰(H3K9me3)在核移植胚胎中存在异常。向核移植胚胎中注射移除这种修饰的蛋白质Kdm4d的信使RNA,可以修复这一异常,将小鼠克隆的成功率从不到1%提高到8%左右。


核移植胚胎的X染色体常常在Xist基因的调控下失去活性。2010年,日本理化研究所(RIKEN)的小仓淳郎( Atsuo Ogura)团队报道, 使用敲除 Xist基因的细胞核可以将克隆的成功率提高8-10倍。


在7月19日发表的新研究中,张毅团队报道,同时采取敲除Xist基因和注射Kdm4d 信使RNA两种措施,可以使小鼠体细胞核移植克隆成功率提高到20%左右。


“张毅团队通过联用Kdm4d和基因敲除Xist,一度将克隆效率提高到20%,这一可观的数字意味着今后体细胞核移植技术有望更加高效地应用于疾病机制的研究以及临床药物的筛选。”同济大学生命科学与技术学院院长高绍荣评论说。


不过,20%的效率离体外受精50%以上的成功率还有很大差距。


对核移植胚胎和体外受精胚胎的跟踪比较发现,差距出在着床之后。核移植胚胎着床后,形成的胎盘往往出现异常增大,并且有半数以上胚胎在不同阶段停止了发育。


在此前的研究中,张毅和同事发现,在胚胎发育的一些阶段,来自母亲的染色体上的某些区域因为受到组蛋白H3上的第27个氨基酸赖氨酸(K27)上的三甲基化(H3K27me3)修饰而被抑制,而位于父亲染色体上的相应区域没有被修饰,从而使得这些区域编码的基因仅从来自父亲的染色体上表达。这一现象称为“印迹”(imprinting)


新的研究发现, H3K27me3印迹在核移植胚胎中并不存在,导致一些在胎盘和胚胎发育过程中起关键作用的基因同时表达了来自两个染色体的版本。这很可能是胎盘异常、发育停止等现象背后的原因之一。

 

研究者还发现,核移植胚胎中H3K27me3印迹的缺失很可能来自供体细胞核本身,而不是发育过程导致的。因为相应区域在卵细胞的细胞核中已有H3K27me3修饰,而在各种类型体细胞的细胞核中都没有H3K27me3印迹。


那么,如何修复H3K27me3印迹的异常?张毅和同事仍在研究。至于修复后能将效率再提高多少,他谨慎地表示:“除非我们做了才能知道。”


“如果能看到还有哪些过程限制了完全重编程,会(对克隆技术的发展)很有帮助。”约翰·格登说。


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基因组印迹(genomic imprinting)


我们的每个基因都有继承自父亲和母亲的两份。对于大多数基因来说,这两份都会表达。但在一些情况下,有些基因只会表达其中的一份。有些基因通常表达继承自父亲的那一份,另一些通常表达继承自母亲的一份。这种现象叫做基因组印迹。


来源:https://ghr.nlm.nih.gov/primer/inheritance/updimprinting


参考文献:

1. Matoba, S. et al., Loss of H3K27me3 imprinting in somatic cell nuclear transfer embryos disrupts post-implantation development, Cell Stem Cell (2018), https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.06.008  (主要报道文献)


2. Inoue, A. et al. (2017) Maternal H3K27me3 controls DNA methylation-independent imprinting. Nature 547, 419-424.


3. Matoba, S. et al. (2014) Embryonic Development following Somatic Cell Nuclear Transfer Impeded by Persisting Histone Methylation. Cell 159 (4), 884-895.


4. Inoue, K. et al. (2010) Impeding Xist Expression from the Active X Chromosome Improves Mouse Somatic Cell Nuclear Transfer. Science 330, 496-499. 


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制版编辑 | 黄玉莹


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