【CSCB 2023】分会场回顾之单倍体与类器官细胞生物学的基础与应用分会场
发布日期：2023-05-04 浏览次数：2407
“中国细胞生物学学会第十八次会员代表大会暨2023年全国学术大会·苏州”-单倍体与类器官细胞生物学的基础与应用分论坛于2023年4月13日在苏州国际博览中心G206会议室顺利召开，会议由中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李劲松院士和南京大学模式生物研究所万国强教授共同主持。该论坛以小鼠单倍体胚胎干细胞（类精子干细胞）和哺乳动物类器官最新研究为讨论主题。会议邀请了来自9个学术机构的专家教授和青年学者分享最新的研究成果，整场会议气氛活跃讨论热烈。
首先，来自中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的李劲松院士在会议初始，为大家带来了题为“类精子干细胞介导的遗传改造”的报告，哺乳动物单倍体胚胎干细胞是从单倍体囊胚中建立的细胞系，因为只含有一套遗传物质，为在细胞中开展高通量正反向遗传筛选提供了新的工具。另外，携带精子遗传物质的孤雄单倍体该细胞可以替代精子通过卵子注射高效产生半克隆小鼠 (因此又称为类精子干细胞)，可作为载体将基因编辑器通过“受精”带到胚胎中，为研究胚胎发育和细胞命运决定提供新的遗传学工具。类精子干细胞技术可以实现，快速构建多基因敲除，敲入的动物模型，同时可以作为开展个体水平单碱基筛选和单基因筛选等多维度遗传筛选的平台。基于类精子干细胞平台，可以建立携带蛋白质标签敲入的类精子干细胞库进而获得携带蛋白质标签的小鼠库，为实现全基因组蛋白质标签计划(genome tagging proiect,GTP)提供技术保障，GTP将为开展蛋白质功能的在体、实时、动态、网络研究提供了新的手段。
来自中国科学院动物研究所的李伟教授分享了“生物编程”在哺乳动物染色体改造上的最新研究成果。在漫长的生命进化过程中，染色体会发生重排而导致核型变异。每百万年啮齿类动物就会积累 3.2-3.5 种染色体重排，而灵长类动物也会积累 1.6 种染色体重排。这类事件如何在实验室模式动物中进行模拟和研究？李伟教授团队，基于类精子干细胞技术和基因编辑手段，实现了两条小鼠染色体的首尾融合，染色体融合事件对基因表达和基因组折叠影响较小。研究发现，小鼠1号和2号染色体融合会造成染色体长度过长，从而增加了有丝分裂难度，这暗示了哺乳动物细胞可能存在的染色体长度界限。李伟教授团队的研究开启了哺乳动物染色体遗传改造的新领域。
来自南开大学的帅领教授分享了基于单倍体胚胎干细胞的遗传筛选的最新工作。传统的研究手段较难发现相关隐形遗传突变的基因功能，而单倍体系统有效的克服了这一问题。帅领教授团队利用大鼠单倍体胚胎干细胞开展了多能性退出机制的筛选研究。通过引入了一个RexI-GFP报告基因到大鼠单倍体胚胎干细胞中，可通过可视化方式监测单倍体胚胎干细胞的分化情况。进一步通过piggyBac转座子可以这些细胞中进行了全基因组突变，并获得了分化受阻的突变体。帅领教授团队通过遗传筛选发现基因Thop1可以通过抑制ERK1/2的磷酸化来阻止大鼠胚胎干细胞的分化。这项研究表明单倍体胚胎干细胞是优秀的遗传筛选工具。
来自昆明理工大学灵长类化医学研究院的谭韬教授带来了题为“运用体外模型研究灵长类早期胚胎发育”的报告。谭韬教授系统介绍了最新开发的灵长类胚胎体外培养系统，利用水凝胶系统形成的三明治夹层结构可以实现灵长类动物胚胎的体外培养，胚胎在体外培养过程中可以发育形成复杂的胚胎结构，培养到第25天可以观察到羊膜腔和卵黄囊结构的形成。结合单细胞转录组测序手段，可以发现体外培养获得的非人灵长类模式生物的胚胎和体内着床发育的对应天数的胚胎高度相似，这反映了体外发育培养系统的优异性能。在体外培养系统中，模拟着床发育的胚胎可以形成良好的神经谱系细胞特化，形成早期神经折叠等结构，也可以在卵黄囊中观察到第一波造血过程的发生。总体上，灵长类的体外胚胎延迟培养系统表现出良好性能的，同时未来依然有巨大的优化空间。
来自中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的张晓宇博士带来了以“如何改造一个小鼠的染色体”为主题的报告。染色体数目和结构的稳定是物种生存和繁衍的基础，而新物种的形成往往又伴随着复杂的染色体结构变化。如何研究解析染色体结构重排对生物体的影响和意义？但是哺乳动物高度复杂，在哺乳动物个体水平改造染色体在技术上面临很大的困难和挑战，张晓宇博士分享了基于类精子干细胞技术的小鼠染色体融合改造的研究系统的开发，利用此技术可以建立染色体融合小鼠品系，成功模拟了自然界中在漫长演化过程中才积累的染色体重排事件。本研究证实着丝粒的断裂导致的染色体融合是染色体演化的重要原因，真核生物基因组组装的系统稳健性是染色体演化的重要基础。
在分会场第二部分的类器官主题中，首先是来自南京大学模式动物研究所的万国强教授分享了最新的关于“耳蜗类器官系统的建立与毛细胞发育再生”的研究。听力损失是中国1.5亿人面临的最常见的感官缺陷。因耳蜗感觉毛细胞的退化，失聪是最常见的听力丧失原因。由于对其分化机制的了解有限，因此尚未有有效的方法能够再生这些毛细胞。为了解决这一问题，发现和有效操纵参与毛细胞命运决定的新关键信号，将为毛细胞再生提供新的思路。万国强教授团队建立了一种三维内耳器官体外模型，其中包含类似于天然内耳毛细胞的毛细胞，不仅提供了研究毛细胞分化的高通量方法，而且是内耳研究的一个重要工具。利用耳蜗类器官可以对毛细胞分化的重要小分子和转录因子进行了高通量筛选，从而发现了一系列新靶点和毛细胞再生的新方法。
来自复旦大学的林鑫华教授带来了题为“类器官技术在器官发育和稳态方面的应用”的报告。甲状腺对于个体发育具有重要作用，但是目前依然缺乏良好的甲状腺发育模型。林鑫华教授分享了甲状腺类器官的建立工作，利用流产组织的甲状腺初始组织，林鑫华教授团队成功建立了甲状腺类器官培养体系，形成良好的囊泡结构，同时将甲状腺类器官一直到免疫缺陷小鼠体内，可以进一步形成甲状腺的类似结构。林鑫华教授然后为大家带来了利用类器官技术研究COVID-19病毒的组织器官侵染损伤的研究。利用肝脏类器官，发现胆管上皮细胞可以高效地被新冠病毒感染，在受到感染之后，胆管上皮细胞的紧密连接受到了影响。进一步，林鑫华教授报告了蝙蝠来源的类器官系统的成功建立，通过优化建立的蝙蝠组织器官来源类器官可以作为多种疾病感染模型的良好研究系统。
来自南京医科大学的刘妍教授分享了题为“复杂脑区类器官构建及在神经疾病研究中的应用”的汇报。人类神经及精神疾病往往较难治愈，其原因之一是病变后的神经元难以得到修复且不能再生。通过体外分化人多能干细胞获得特定的人类大脑神经元/组织是研究和治愈这些疾病的一种方式。针对如何实现人类功能性神经元亚型/组织的分化，刘妍教授聚焦于如何将人多能干细胞向特定脑区神经亚型/组织的定向分化，应用分化的特定亚型神经元开展发病机制的研究，并利用人多能干细胞定向分化从而建立与优化培育人类大脑类器官的体系和平台，在体外模拟出生缺陷病人大脑发育的过程，并进行神经系统疾病发病的机制和细胞治疗研究。
来自同济大学生命科学与技术学院的郭贞明博士分享了“人脑类器官建立与应用”的最新研究。在新皮层发育过程中，神经干细胞（NSCs）在早期对称分裂以进行自我更新。随着神经发生的开始，一个NSC将产生一个新的NSC和一个中间前体细胞（IPC），IPC将进一步经过有限的细胞周期产生更多的IPC和神经元。然而，调节NSC自我更新和神经发生之间平衡的分子机制仍不清楚。大脑器官样体的兴起为研究人类大脑发育和进化提供了一个优秀的模型。郭贞明博士结合人类大脑器官样体和小鼠模型的优点，发现细胞周期调节剂（RGCC）通过影响细胞周期调节和纺锤体定向调节NSC自我更新和神经元分化，表明在皮质发育过程中，RGCC是维持NSC池的必需品，并暗示RGCC缺陷可能在人类大脑畸形中起病因作用。此外郭贞明博士通过比较小鼠和人类胎儿新皮层的单细胞转录组数据，鉴定了人类IPC特异性基因PPP1R17，发现PPP1R17在人类特异性IPC命运调节和新皮层神经发生中的作用和分子机制。
来自中国医学科学院北京协和医院的冷泠教授为大家带来了题为“皮肤类器官在疑难重症与罕见病致病机制中的研究与应用”的报告。类器官因其拥有近似自然组织器官的关键结构和功能特征，能够生长并模拟组织发育和损伤修复等过程，在研究组织再生机制、疾病模型和药物筛选等方面展现了强大的应用价值。迄今为止，应用皮肤类器官来研究或解析临床疾病的研究仍然很少。冷泠教授团队利用 iPSC 分化体系，创建了一种具有表皮、真皮和皮下组织完整细胞极性的皮肤类器官，并富含毛囊和皮脂腺等附属器及不同神经细胞类型的神经系统。其中，毛囊系统包含了角质、内根鞘、皮层、真皮鞘、玻璃膜、髓质、外根鞘、毛球毛干、立毛肌、赫氏层、亨氏层、黑素细胞等完整结构。利用该类器官进行新冠病毒的体外感染，可以发现新冠病毒能够感染皮肤毛囊干细胞和神经系统，从而导致毛发脱落和神经元死亡，首次为新冠肺炎和脱发后遗症之间的关联提供了证据。进一步冷泠教授团队利用皮肤类器官对皮肤罕见病(硬皮病)进行治疗，实现了该疾病萎缩的表皮附属器和血管的新生，推动类器官在罕见病治疗和药物筛选中的应用。
撰写人：张晓宇；审核人：李劲松
