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目的:小鼠是科学研究中最常用的实验动物,从小鼠中分离的一些干细胞,如诱导的多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)、胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)、神经干细胞(neural stem cells,NSCs)、间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)等,被广泛应用于基础科学研究中。然而,对于所要研究的干细胞,首先了解其在体外培养下是否维持基因组的稳定性是至关重要的。小鼠骨髓来源间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)经体外培养,能自发性地变异,此为其主要特性之一。而小鼠脂肪来源间充质干细胞(adipose tissue-derived mesenchymal stem cells,ADSCs)与骨髓来源间充质干细胞类似,有着多系分化潜力。体外培养后其基因组是否维持稳定,是我们实验的第一个目的。另外,干细胞保持未分化状态,且大多处于有丝分裂的静止期,这被认为有利于核重编程进而能提高核移植效率。然而大量研究发现,有一些干细胞核移植效率高,有一些却非常低,差异性非常大,不能定论。我们运用小鼠脂肪来源间充质干细胞这种未分化的成体干细胞进行核移植实验,想探讨这种干细胞的核移植效率,并观察其能否促进着床前胚胎的发育率及提高克隆胚胎中乙酰化组蛋白(lysine9 of histone H3,H3K9)的表达水平,此为本研究的第二个目的。
方法:利用G显带核型分析技术检测不同代数(第2代、第6代、第13代)小鼠ADSCs染色体的形态结构与数目的变化情况;运用流式细胞技术检测第2代与第13代的这种细胞表面抗原的表达情况;运用多系诱导方法研究该细胞在第2代与第13代的多系分化潜能。运用核移植(nuclear transfer, NT)技术,将第2代与第13代小鼠ADSCs作为核供体细胞,观察其克隆胚胎体外发育能力,以卵丘细胞克隆胚胎做为对照,同时也利用单精子注射胚胎(intracytoplasmicsperm injection,ICSI)与孤雌激活胚胎(parthenogenetic activation,PA)的体外发育情况作为对照。运用免疫细胞化学方法经激光共聚焦显微镜检测早期小鼠ADSCs克隆胚胎与卵丘细胞(cumulus cells,CCs)克隆胚胎中乙酰化组蛋白H3K9的表达情况,并以单精子注射胚胎做对照。
结果:早期小鼠ADSCs增殖能力强,呈典型的成纤维细胞样生长。到第6代后,细胞增殖能力明显减弱,细胞形态明显变大,细胞开始出现老化迹象。培养到第13代,细胞虽保持大的形状,但已突破危机又能快速增殖。通过G显带核型分析发现,小鼠ADSCs在早期第2代体外培养阶段大多数染色体数目和形态均正常(约71±3.6%),但到了第6代,这种细胞的染色体核型约有一半出现异常(约46±4.2%),异常染色体包括非整倍体的单体、缺体、多体,异常整倍体的单倍体、多倍体等。到第13代,这种细胞染色体核型大多数显示异常(约73±4.8%),而在异常染色体核型中大多数为多倍体(约71±6.5%)。利用流式细胞仪检测发现,这种细胞在第2代高表达干细胞表明标志抗原CD29、CD44及Scal,但经长期培养后这种细胞几乎不表达CD29与CD44,表达低水平的Scal。经多系诱导,发现这种细胞早期能向成骨、软骨、脂肪细胞方向分化,而到第13代,这种细胞已经失去向这三个方向分化的潜能。运用核移植技术,发现早期第2代小鼠ADSCs并不能提高其克隆胚胎的体外发育能力,其发育率与对照卵丘细胞克隆胚胎相同(桑葚胚/囊胚发育率分别为38.2%与40.8%),但是用第13代ADSCs核移植时,发现其克隆胚胎体外发育能力明显降低(桑葚胚/囊胚发育率为10.9%),远低于早期ADSCs克隆胚胎。经激光共聚焦显微镜免疫细胞化学测定,发现早期第2代小鼠ADSCs克隆胚胎中乙酰化组蛋白H3K9表达水平与卵丘细胞克隆胚胎相同,并没有增强,远低于对照组单精子注射胚胎。
结论:经以上实验可以得出以下结论:
(1)小鼠ADSCs在早期体外培养阶段能快速增殖,表达干细胞表面标志,且大多染色体正常,有着多系分化潜能。
(2)小鼠ADSCs经体外培养一段时间后进入老化状态,细胞形态变大,增殖变慢,细胞进入老化危机时期。
(3)小鼠ADSCs经体外长期培养后能突破老化危机时期,进而快速增殖,但不能表达干细胞表面标志,大多数染色体核型显示异常,已经丢失多系分化潜能,说明此时的ADSCs已经失去间充质干细胞的特性,发生了自发变异。
(4)早期小鼠ADSCs虽然保持未分化特性,但是其并不能提高克隆胚胎的体外发育能力,也不能促进其克隆胚胎组蛋白乙酰化的表达水平,与其他体细胞克隆胚胎的体外发育能力及组蛋白乙酰化的表达水平相同。但这不能说明这种细胞的总体核移植效率与其他体细胞相同。由于长期培养的小鼠ADSCs克隆胚胎发育能力很低,加上这种细胞经体外培养后累计的染色体变异,故推测这种细胞其总体核移植效率可能和小鼠BMSCs一样是无效的。