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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(hù)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(hù)的棲息地。

由于種群數(shù)量不足、近親繁殖等問題可能導(dǎo)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(xué)家們一直在尋找新的方法來幫助大熊貓避免滅絕風(fēng)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(xué)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(tuán)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(xì)胞（皮膚成纖維細(xì)胞）重編程為干細(xì)胞，并通過不同角度分析和揭示了其獨(dú)特的細(xì)胞特征。這些人工誘導(dǎo)的干細(xì)胞可以進(jìn)一步分化為大熊貓身體中任何一種細(xì)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?，為大熊貓配子的體外生成奠定了基礎(chǔ)，對于瀕危物種的保護(hù)具有重要意義。

2006年，山中伸彌教授開創(chuàng)了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）技術(shù)，只需過表達(dá)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(xì)胞重編程為多能干細(xì)胞。山中伸彌教授也因此獲得了2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

此后，科學(xué)家們意識到，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）技術(shù)可能是保護(hù)保護(hù)瀕危和易受傷害物種的關(guān)鍵，并從北部白犀牛、袋獾和細(xì)紋斑馬身上成功建立了iPSC細(xì)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(xì)胞中培育出干細(xì)胞，但卻沒有產(chǎn)生真正的多能干細(xì)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(xì)胞到iPSC的過程并不容易。研究團(tuán)隊在剛開始的嘗試中發(fā)現(xiàn)，適合小鼠和人類細(xì)胞的實驗條件對大熊貓的細(xì)胞并不起作用。

經(jīng)過反復(fù)試驗，研究團(tuán)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(xì)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(tuán)隊成功地利用分離的大熊貓皮膚成纖維細(xì)胞重編程獲得了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）。此外，研究團(tuán)隊還對重編程步驟以及細(xì)胞培養(yǎng)基進(jìn)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(xì)胞的真正標(biāo)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(xì)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(tuán)隊觀察了胚狀體的形成（胚狀體是一組多能干細(xì)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(biāo)志物增加，而后期則顯示中胚層和內(nèi)胚層標(biāo)志物增加。研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，將大熊貓的iPSC注射到小鼠體內(nèi)后，這些細(xì)胞形成了一個團(tuán)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(xué)分析，研究團(tuán)隊對大熊貓iPSC的轉(zhuǎn)錄組、表觀遺傳進(jìn)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(xì)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(dá)模式。同時，研究團(tuán)隊還對大熊貓iPSC在體外維持條件進(jìn)行了進(jìn)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(dú)特信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

此次大熊貓iPSC研究取得突破，豐富了大熊貓干細(xì)胞生物學(xué)特性認(rèn)知，為大熊貓疾病治療提供新途徑。同時，大熊貓iPSC也會促進(jìn)胚胎和繁殖研究，為大熊貓遺傳資源和種群保護(hù)奠定堅實基礎(chǔ)。

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

中國科學(xué)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(xué)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(xué)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