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撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

大熊貓（Ailuropoda melanoleuca）是中國特有的珍稀瀕危動物，也是全球生物多樣性保護的旗艦物種。目前大約有2000只野生大熊貓，還有大約600只生活在世界各地的動物園和受保護的棲息地。

由于種群數(shù)量不足、近親繁殖等問題可能導致大熊貓遺傳多樣性降低，從而降低它們面對疾病、寄生蟲或環(huán)境變化的抵抗力。

在過去幾十年里，科學家們一直在尋找新的方法來幫助大熊貓避免滅絕風險，而現(xiàn)在我們似乎比以前任何時候都更有希望了。

2024年9月20日，中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉晶研究組與成都大熊貓繁育研究基地侯蓉、劉玉良等，在 Science 子刊 Science Advances 上發(fā)表了題為：Generation and Characterization of Giant Panda Induced Pluripotent Stem Cells 的研究論文。

研究團隊首次成功建立了大熊貓iPSC重編程方法，將從大熊貓身上提取的普通皮膚細胞（皮膚成纖維細胞）重編程為干細胞，并通過不同角度分析和揭示了其獨特的細胞特征。這些人工誘導的干細胞可以進一步分化為大熊貓身體中任何一種細胞類型，從而幫助研究人員繁殖大熊貓，以及開發(fā)治療大熊貓疾病的方法。

該研究為珍稀物種iPSC的研究提供了重要線索，為大熊貓?zhí)卣餮芯刻峁┝瞬牧希瑸榇笮茇埮渥拥捏w外生成奠定了基礎，對于瀕危物種的保護具有重要意義。

2006年，山中伸彌教授開創(chuàng)了誘導多能干細胞（iPSC）技術(shù)，只需過表達Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4這四種轉(zhuǎn)錄因子，就可以讓已終末分化的體細胞重編程為多能干細胞。山中伸彌教授也因此獲得了2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

此后，科學家們意識到，誘導多能干細胞（iPSC）技術(shù)可能是保護保護瀕危和易受傷害物種的關(guān)鍵，并從北部白犀牛、袋獾和細紋斑馬身上成功建立了iPSC細胞系。

然而，目前關(guān)于大熊貓iPSC的研究還十分匱乏，雖然已有研究從大熊貓的面頰黏膜細胞中培育出干細胞，但卻沒有產(chǎn)生真正的多能干細胞。因此，開發(fā)獲取大熊貓iPSC的重編程方法并開展相關(guān)研究至關(guān)重要。

這項研究始于2019年，然而，從大熊貓的皮膚成纖維細胞到iPSC的過程并不容易。研究團隊在剛開始的嘗試中發(fā)現(xiàn)，適合小鼠和人類細胞的實驗條件對大熊貓的細胞并不起作用。

經(jīng)過反復試驗，研究團隊最終發(fā)現(xiàn)，引入特定的microRNA簇（miR302-367）是將大熊貓成纖維細胞轉(zhuǎn)化為iPSC的關(guān)鍵。修改了生長條件，加入了熊貓?zhí)赜械钠渌肿樱ɡ缛甾D(zhuǎn)錄因子），該團隊成功地利用分離的大熊貓皮膚成纖維細胞重編程獲得了誘導多能干細胞（iPSC）。此外，研究團隊還對重編程步驟以及細胞培養(yǎng)基進行調(diào)整，以提高重編程效率，例如，他們通過通過在培養(yǎng)基中添加某些信號通路調(diào)節(jié)劑，表觀遺傳抑制劑和激酶阻滯劑，將總實驗時間從三個多月減少到不到一個月，與未改變的培養(yǎng)基相比，重編程效率提高了五倍。

多能干細胞的真正標志是它能夠分裂并形成三個胚層——內(nèi)胚層、中胚層和外胚層——這對身體組織和器官的發(fā)育至關(guān)重要。該研究構(gòu)建的大熊貓iPSC不僅在體外培養(yǎng)條件下能夠穩(wěn)定增殖并保持其多能性，還能在體內(nèi)和體外的分化條件下，產(chǎn)生不同類型的三胚層細胞，展現(xiàn)出很好的發(fā)育潛力。

為了測試該研究建立的大熊貓iPSC，研究團隊觀察了胚狀體的形成（胚狀體是一組多能干細胞的集合，再現(xiàn)了早期胚胎發(fā)生的某些方面）。在這個發(fā)育階段，他們觀察到外胚層標志物增加，而后期則顯示中胚層和內(nèi)胚層標志物增加。研究團隊還發(fā)現(xiàn)，將大熊貓的iPSC注射到小鼠體內(nèi)后，這些細胞形成了一個團塊，顯示出包括神經(jīng)、肌肉和上皮組織成分的三個胚層特征。

通過測序技術(shù)和生物信息學分析，研究團隊對大熊貓iPSC的轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳進行了全面解析，結(jié)果顯示大熊貓iPS在具有植入后始發(fā)態(tài)干細胞的普遍基本特征外，還具有與其他物種不同的特異基因表達模式。同時，研究團隊還對大熊貓iPSC在體外維持條件進行了進一步研究，開發(fā)了大熊貓iPSC維持特異性培養(yǎng)條件并發(fā)現(xiàn)了其獨特信號調(diào)控網(wǎng)絡。

此次大熊貓iPSC研究取得突破，豐富了大熊貓干細胞生物學特性認知，為大熊貓疾病治療提供新途徑。同時，大熊貓iPSC也會促進胚胎和繁殖研究，為大熊貓遺傳資源和種群保護奠定堅實基礎。

研究團隊希望有朝一日可以利用大熊貓的iPSC來制造精子和卵細胞，進而制造出大熊貓胚胎。當然，這還有很長的路要走，該研究最直接的應用是利用再生醫(yī)學治療患病大熊貓，以及更好地理解大熊貓的胚胎生物學和胚胎發(fā)育。

中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院研究員劉晶、成都大熊貓繁育研究基地研究員侯蓉和中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院助理研究員王魯勤是論文通訊作者。成都大熊貓繁育研究基地劉玉良研究員、中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士研究生張世豪為該文的共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7724