Homologous feeder cells support undifferentiated growth and pluripotency in monkey embryonic stem cells

In the present study, five homologous feeder cell lines were developed for the culture and maintenance of rhesus monkey embryonic stem cells (rESCs). Monkey ear skin fibroblasts (MESFs), monkey oviductal fibroblasts (MOFs), monkey follicular granulosa fibroblast-like (MFG) cells, monkey follicular granulosa epithelium-like (MFGE) cells, and clonally derived fibroblasts from MESF (CMESFs) were established and compared with the ability of mouse embryonic fibroblasts (MEFs) to support rESC growth. MESF, MOF, MFG, and CMESF cells, but not MFGE cells, were as good as or better than MEFs in supporting undifferentiated growth while maintaining the differentiation potential of the rESCs. In an effort to understand the unique properties of supportive feeder cells, expression levels for a number of candidate genes were examined. MOF, MESF, and MEF cells highly expressed leukemia inhibitory factor, ciliary neurotrophic factor, basic fibroblast growth factor, stem cell factor, transforming growth factor PI, bone morphogenetic protein 4, and WNT3A, whereas WNT2, WNT4, and WNT5A were downregulated, compared with MFGE cells. Additionally, all monkey feeder cell lines expressed Dkk1 and LRP6, antagonists of the WNT signaling pathway, but not WNT1, WNT8B, or Dkk2. rESCs grown on homologous feeders maintained normal karyotypes, displayed the characteristics of ESCs, including morphology, alkaline phosphatase, Oct4, the cell surface markers stage-specific embryonic antigen (SSEA)-3, SSEA-4, tumor-related antigen (TRA)-1-60, and TRA-1-81, and formed cystic embryoid bodies in vitro that included differentiated cells representing the three major germ layers. These results indicate that the four homologous feeder cell lines can be used to support the undifferentiated growth and maintenance of pluripotency in rESCs.

兔胚胎干细胞分离建系及鉴定以及胚胎干细胞自我更新机制研究

人胚胎干细胞（ESC）的成功分离培养，吸引大批人对干细胞生物学的关注，特 别是ESC 在再生医学及人类早期胚胎发育研究的潜在价值。然而在人ESC 临床应用 之前需要找到合适的动物模型进行大量的预实验研究，从而评价其应用的安全性、有 效性及存活效率。因此，从其它物种建立稳定而可用的ESC 系也是必不可少的。ESC 能无限地自我更新并保持多潜能性，但控制其自我更新的分子机制现在仍然知之甚少 且物种间存在差异，了解ESC 的自我更新有利于提高建系率、改善培养体系及定向 分化体系。本文一方面对ESC 分离培养及自我更新机制的研究进展进行了综述，另 一方面对以下几个方面的内容进行了研究：1）建立了4 株稳定的兔ESC 系，能在体 外进行长期的培养并保持ESC 的多潜能Markers 及正常的XY 或XX 核型，具有碱性 磷酸酶活性、表达Oct-4、SSEA-1、SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60 及TRA-1-81。与人 和小鼠ESC 相似，兔ESC 表达多潜能基因（Oct-4、Nanog、Sox-2 及UTF-1），并表 达了与ESC 自我更新相关的信号通路（FGF、TGFβ及WNT）的许多基因。从形态 来说，兔ESC 与灵长类ESC 相似，但兔ESC 具有较快的增殖能力，与小鼠ESC 相类 似。在体外及体内兔ESC 均能分化成代表原始三胚层的各种细胞类型及组织。2) 从 受体抑制实验及生长因子的联合加入可以得出结论FGF 及TGF 信号通路对维持兔 ESC 的多潜能性发挥着重要的作用，这样的结果与人ESC 相类似。也表明FGF、TGF β及WNT 信号通路在兔ESC 的自我更新中都起着作用，而且他们之间可能形成了信 号调控网络，相互之间有着正负反馈作用。FGF2+Activin A 或TGFβ1+Noggin 的无 饲养层无血清培养体系不仅能显著抑制兔ESC 的分化，且能维持其长期的自我更新。 但与小鼠不同，TGFβ信号通路能影响其增殖能力，而对其多潜能性的维持并没有作 用。这就更说明了兔比小鼠更适宜成为人类疾病临床治疗之前的模型动物。3）四种 猕猴细胞系（MOF、MESF、MFG 和CMESF）可作为饲养层比MEFs（小鼠饲养层 细胞）更好或同等好支持猕猴ESC 的生长，保持其自我更新能力和分化的多能性。 而卵泡颗粒上皮样细胞（MFGE）不能支持猕猴ESC 的自我更新。进一步的研究表明 饲养层支持ESC 生长能力的差异可能是由于基因表达种类以及表达量上的差异而导 致的。

人胚胎干细胞建系及向神经细胞定向分化的研究

研究和利用人胚胎干细胞(hES)细胞已成为生命科学领域的核心问题之一。当前hES 细胞研究主要集中在hES 的建系和维持其不分化状态；提高hES 细胞定向分化为特定 细胞的比例；ES 细胞自我更新和分化的机制等方面。本论文一方面概述了hES 细胞相 关领域的研究进展；另一方面建立了不同培养体系条件下3 株hES 细胞，并在此基础 上利用G5 和肝生长因子（HGF）诱导hES 细胞定向分化成高纯度的NPs。主要结论如 下：1) 建立人卵体外受精和胚胎培养体系。获得了15 个囊胚，采用了免疫外科法分离 内细胞团，运用含血清以及不含血清的培养体系，在ICR 小鼠胚胎成纤维饲养层上分 别建立了YKh-1、YKh-2 和YKh-3 3 株人胚胎干细胞系，生长良好，核型正常。ES 细 胞表达碱性磷酸酶活性、SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60、TRA-1-81 和Oct-4，但不表达 SSEA-1； ES 细胞在体外能够分化为属于外胚层、中胚层和内胚层的各种分化细胞， 在SCID 小鼠体内能形成畸胎瘤，畸胎瘤包括了所有三个胚层来源的细胞类型。证实了 ES 细胞系的多向分化潜能。2) 对比含血清以及无血清的培养体系的hES 细胞系的特征， 观察了其集落形态、生长速度、分化能力。结果表明，在含血清培养体系的Yhk-2，其 集落形态较致密，含2-3 个核的细胞较多，细胞倍增时间为43.9±5.7h；而在无血清培 养体系的Yhk-3，其集落形态较铺展，细胞较小而圆，倍增时间为34.8±3.8h。细胞免疫 染色和PCR 结果表明，二者在体外都能分化为三个胚层来源的多种细胞，但比例有所 差异。提示二者在向三个胚层来源的细胞的分化能力上有所不同。 3) 以所建立的hES 细胞系为模型，采用HGF 和G5 作为诱导因子添加到神经诱导培养基中，诱导hES 细 胞分化成高纯度的NPs。单独的HGF 或G5 仅能诱导ES 细胞分化成70.9± 5.0%和 72.9±7.2%NPs，而联用HGF 和G5 使NPs 的比率达到91.2±11.2%，进一步纯化后获得 98±3.2%的NPs。获得的NPs 能分化成三个谱系神经细胞，亚克隆实验也进一步证明采 用HGF+G5 获得的单个NPs 具有神经干细胞的特性，也能在体外分化成三个谱系的神 经细胞。用SHH 处理NPs，获得的分化细胞表达不同脑区标志，表明所得到NPs 具有 对脑区信号发生反应，进一步分化为不同脑区神经元细胞的能力。 本实验建立了具有自主知识产权的中国人源胚胎干细胞系，建立了ES 细胞的含血 清以及无血清的培养体系和向神经前体细胞定向分化系统，得到高比例的神经前体细 胞，为进一步研究利用人胚胎干细胞打下良好的基础。