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黄粤课题组发现调节细胞能量代谢可减缓单倍体细胞的二倍化速率

已有 609 次阅读 2021-1-14 09:38 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年1月13日,中国医学科学院-北京协和医学院基础医学研究所、医学分子生物学国家重点实验室黄粤研究员课题组在Stem Cell Reports杂志上发表了题为“A Genetic Screen Identifies Etl4-Deficiency Capable of Stabilizing the Haploidy in Embryonic Stem Cells”的论文。


该研究发现直接在细胞培养基中加入氧化磷酸化(OXPHOS)的激活剂或糖酵解的抑制剂,均可显著提高单倍体胚胎干细胞(haploid embryonic stem cells, haESCs)的比例,建立了一种通过调节培养基成分维持单倍体的方法,促进了单倍体细胞在分子细胞生物学及功能基因组学研究中的应用。


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哺乳动物单倍体细胞只拥有一套染色体组,在遗传筛选和转基因动物培育中具有重要的价值。目前学界已经获得了多种哺乳动物的haESCs[1-3],但是在haESC培养传代过程中,有一定比例的单倍体细胞会自发转变为二倍体细胞,因此,研究细胞染色体倍性相关基因是一个有趣的科学问题,而且可以大大减少haESC培养中进行流式细胞分选的次数,节省人力物力。

 

为了解决这个问题,黄粤课题组将基于piggyBac(PB)转座子的插入基因突变载体导入到小鼠haESC中,构建了一个全基因组范围的纯合突变体文库[4]。通过多轮流式分选富集单倍体细胞后,提取基因组并进行二代测序,发现Etl4基因突变体在细胞群体中明显富集。

 

随后,在另外两株haESCs系中,用CRISPR/Cas9技术敲除Etl4基因后,发现它们的自发二倍化速率均明显下降,其多能性和自我更新能力则不受影响,表明Etl4的缺失可以帮助维持haESCs的单倍体状态,并且没有细胞系特异性。

 

为探究Etl4缺失促进haESCs维持单倍体状态的机制,研究人员通过转录组RNA-Seq分析发现Etl4缺失使得细胞能量代谢相关基因表达水平发生显著变化,进而通过Seahorse代谢实验也验证了其OXPHOS水平上升、糖酵解水平下降的特殊能量代谢表型。随后,研究人员尝试在细胞培养过程中通过改变能量代谢状态来维持haESCs的单倍体状态,发现添加促进OXPHOS的药物1,25-羟基维生素D3(1,25(OH)2D3),或者抑制糖酵解的药物三溴丙酮酸(3-BrPA),均可以让多株haESCs的单倍体细胞比例在较长时间内维持较高水平。

 

该研究揭示了haESCs的自发二倍化与细胞能量代谢存在关联,建立了一种通过调节培养基成分维持单倍体的方法,也为其它物种haESCs培养提供了新的思路。

 

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通过构建突变体文库进行遗传筛选获得候选基因Etl4,功能实验表明Etl4-KO细胞系可以长期维持较高比例的单倍体状态。通过转录组RNA-Seq分析和Seahorse代谢水平检测发现其氧化磷酸化(OXPHOS)水平上升,糖酵解水平下降。进而通过在细胞培养基中加入OXPHOS的激活剂或糖酵解的抑制剂,均可显著提高单倍体细胞的比例。

 

中国医学科学院-北京协和医学院基础医学研究所、医学分子生物学国家重点实验室黄粤研究员、刘光副研究员为该论文的共同通讯作者;博士生张国中、李晓文为该论文共同第一作者,直博生孙艺也做出较多贡献。此研究获中国医学科学院医学与健康科技创新工程基金(2016-I2M-3-002)、国家重点研发计划“干细胞与转化研究”专项(2016YFA0100103)、国家自然科学基金项目(31671410 和31970813)资助。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2020.11.016 

 

参考文献

[1] Leeb M, Wutz A. Derivation of haploid embryonic stem cells from mouse embryos[J]. Nature, 2011, 479: 131-134.

[2] Yang H, Liu Z, Ma Y, et al. Generation of haploid embryonic stem cells from Macaca fascicularis monkey parthenotes[J]. Cell Res, 2013, 23: 1187-1200.

[3] Sagi I, Chia G, Golan-Lev T, et al. Derivation and differentiation of haploid human embryonic stem cells[J]. Nature, 2016, 532: 107-111.

[4] Liu G, Wang X, Liu Y, et al. Arrayed mutant haploid embryonic stem cell libraries facilitate phenotype-driven genetic screens[J]. Nucleic Acids Res, 2017, 45: e180.




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