家畜幹細胞在生命科學基礎研究、細胞培養人造肉生產和優良品種培育等方面具有巨大應用前景。自1981年小鼠胚胎幹細胞 (mESCs)獲得成功以來，國內外科學家一直試圖建立穩定的、可長期傳代的大家畜胚胎多能幹細胞系，但始終未獲得成功。
近日，中國農業大學韓建永教授團隊聯合國內多家單位獲得重大突破，成功建立了目前世界家畜幹細胞傳代次數最多（傳代260次以上）、可進行多次基因編輯操作的豬胚胎幹細胞系，攻克了豬胚胎上胚層多能幹細胞建系的國際難題。11月30日，該研究成果線上發表在國際著名學術期刊《細胞研究》（Cell Research）上。
豬既是重要的家畜，也是重要的實驗動物，在基礎研究、人類疾病模型、異種器官移植等領域用途廣泛。針對家畜胚胎上胚層多能幹細胞建系困難，傳代次數短，難以承受多次基因編輯操作等國際難題，中國農業大學韓建永團隊聯合四川農業大學、中國科學院動物研究所、中國科學院北京基因研究所、東北農業大學等單位，以豬為模式生物，開展了聯合科技攻關，取得家畜胚胎幹細胞領域的重大突破。
研究人員從早期胚胎多能性發育調控分子機制入手，攻克豬早期胚胎單細胞分離技術, 首次繪製了豬胚胎第0-14天（完整的附植前階段）高質量單細胞轉錄組圖譜, 解析了豬上胚層多能性狀態 (初始態、中間態和激發態) 變化及調控的分子機制；基於單細胞資料, 創制了豬原腸化前上胚層多能幹細胞 (pgEpiSCs) 培養體系, 成功建立15株細胞系, 細胞維持上胚層多能性狀態, 具有典型幹細胞特徵，最長傳代次數超過260代，是目前世界上已報道傳代次數最多的大動物幹細胞系。
隨後，研究人員對pgEpiSCs進行了Hi-C, ChIP-seq, ATAC-seq等多組學聯合分析，從三維基因組層面發現pgEpiSCs具有較強的組織分化能力，鑑定了75個在pgEpiSCs中具有重要功能的轉錄因子，為後續豬多能幹細胞調控機制研究奠定了重要基礎；透過對pgEpiSCs進行3次不同方式基因編輯，包括隨機插入、CRISPR/Cas9介導的定點插入以及單鹼基編輯器介導的鹼基C到T置換, 並以經過三次基因編輯的幹細胞係為供體細胞，透過核移植技術，獲得來源於pgEpiSCs、出生存活的基因編輯克隆豬，解決了家畜幹細胞難以承受長週期、多次基因編輯的國際難題。
專家介紹，該成果具有廣闊的應用前景：一是在生命科學基礎研究領域，作為一種全新的、穩定的豬胚胎多能幹細胞系，pgEpiSCs成功建系開創了家畜多能幹細胞研究的新方向。二是在細胞培養肉領域，pgEpiSCs可作為未來細胞培養等基於細胞的功能性產品的種子細胞。三是在醫學模式動物研究領域，pgEpiSCs與基因編輯結合, 可用於構建人類疾病模型或抗病豬模型。四是在家畜優良品種培育領域，pgEpiSCs透過定向誘導分化為精子和卵母細胞可以實現幹細胞育種。
該研究受到國家重點研發計劃、高層次人才計劃等專案資助, 中國農業大學生物學院博士生郅明雷、張金穎, 四川農業大學教授唐茜子, 中國農業大學動物科技學院副教授高帥, 中國科學院動物研究所餘大為博士為本文共同第一作者, 中國農業大學生物學院韓建永教授, 四川農業大學李明洲教授, 中國科學院北京基因組研究所鄭彩宏博士, 東北農業大學劉忠華教授為本文的共同通訊作者。雲南農業大學魏紅江教授和中國科學院動物研究所周琪研究員為資深作者。
文/科技日報記者 馬愛平
編輯/範輝
