《自然-生物技术》新文上线：跨禽类物种胚胎干细胞的建立与应用

研究背景

      禽类，尤其是鸡，是发育生物学、病毒学和免疫学等领域的重要模式动物。然而，由于缺乏有效的遗传操作工具，相关研究长期受到限制。尽管哺乳动物胚胎干细胞（ESC）技术已趋成熟，非啮齿类动物ESC的建立仍面临巨大挑战。此前虽有研究从鸡上胚层（epiblast）建立干细胞系，但这些细胞在长期培养后普遍失去嵌合体和生殖系发育能力，导致学界普遍认为禽类的生殖细胞发育潜能主要由母体决定，难以通过干细胞诱导获得。

结果与展望

      本研究系统筛选并建立了无血清的禽类ESC培养体系。研究发现，Wnt信号通路抑制剂IWR-1和蛋白激酶C抑制剂Gö6983可初步诱导鸡ESC样集落的形成，但难以长期稳定维持。进一步实验发现，蛋黄中的卵转铁蛋白（Ovotransferrin）是维持干细胞自我更新的关键因子，且其功能具有物种特异性。据此，作者开发出含卵转铁蛋白和两种小分子抑制剂（IWR-1与Gö6983）的OT/2i培养体系，成功实现了鸡ESC的长期稳定传代。

      为拓展至其他禽类，研究发现部分物种（如雉鸡、鸭）在OT/2i体系下易自发分化为心肌细胞。通过引入Activin/TGF-β通路抑制剂SB431542，建立了OT/3i体系，有效抑制了该类自发分化现象。对鹌鹑等物种，还需额外添加鸡白血病抑制因子（chLIF），最终建立了适用于鸡、鹌鹑、鹅、鸭、火鸡、雉鸡、孔雀等多种禽类的OT/3i/chLIF通用培养体系。值得注意的是，鸵鸟ESC对LIF的反应独特，提示不同物种间信号调控存在差异。

      该体系获得的ESC高度表达Nanog、Pou5f3等多能性标志基因，能在体外分化为外胚层，中胚层和内胚层的细胞。RNA测序显示，鸡ESC与EGK.X期上胚层细胞高度相似。利用CRISPR/Cas9技术，鸡ESC可实现高效、精准的基因编辑。GFP标记的鸡ESC注入鸡胚后，能高效形成嵌合体，长期培养后仍保持嵌合能力，并可整合进各类体内及胚外组织。在跨物种嵌合实验中，鹌鹑和鹅ESC亦能整合至鸡胚内。ESC还能体外分化为表达DAZL等标志的原始生殖细胞（PGCs），并在注入胚胎后进一步发育为性腺中的生殖细胞，挑战了禽类生殖细胞母源决定的传统认知。

      本研究首次建立了具有嵌合体形成能力和生殖系发育潜能的禽类胚胎干细胞，突破了长期技术瓶颈。该体系为发育生物学研究及禽类的基因工程操作提供了重要的技术平台，在生物技术、家禽育种等领域具有广阔应用前景。多物种胚胎干细胞建立方法为濒危禽类保护和灭绝物种复活提供了新路径。禽类胚胎干细胞可体外和体内产生原始生殖细胞，为理解禽类早期发育机制提供了新视角。本文也以News&Views的形式被期刊highlight，详情请见 “Embryonic stem cells across bird species”。

作者简介

      本研究由美国南加州大学Eli and Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心应其龙（Qi-Long Ying）教授实验室主导。应其龙教授为干细胞生物学领域专家，长期致力于多能干细胞研究。第一作者兼共同通讯作者陈曦（Xi Chen）构思并执行了本项目的主要实验工作。共同第二作者郭政（Zheng Guo）和童心怡（Xinyi Tong）同样为本研究做出了重要贡献。