CAU

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글목록][이 전][다 음]
[ CAU ] in KIDS
글 쓴 이(By): hasups ()
날 짜 (Date): 1997년03월08일(토) 04시50분14초 KST
제 목(Title): [Nature] Viable offspring derived from..


이글은 인간복제 논쟁의 촉발이 되었던 영국 Roslin Institute의
Campbell 박사팀이 February 27, 1997 자 Nature지에 기고한 논문임.

[Nature]
                     Nature, Volume 385, 810 - 813, February 27, 1997

             Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells

             I. Wilmut, A. E. Schnieke*, J. McWhir,
             A. J. Kind* & K. H. S. Campbell
             Roslin Institute (Edinburgh), Roslin, Midlothian EH25 9PS, UK *
             PPL Therapeutics, Roslin, Midlothian EH25 9PP, UK

             Fertilization of mammalian eggs is followed by successive cell
             divisions and progressive differentiation, first into the early
             embryo and subsequently into all of the cell types that make up
             the adult animal. Transfer of a single nucleus at a specific
             stage of development, to an enucleated unfertilized egg,
             provided an opportunity to investigate whether cellular
             differentiation to that stage involved irreversible genetic
             modification. The first offspring to develop from a
             differentiated cell were born after nuclear transfer from an
             embryo-derived cell line that had been induced to become
             quiescent1. Using the same procedure, we now report the birth
             of live lambs from three new cell populations established from
             adult mammary gland, fetus and embryo. The fact that a lamb was
             derived from an adult cell confirms that differentiation of
             that cell did not involve the irreversible modification of
             genetic material required for development to term. The birth of
             lambs from differentiated fetal and adult cells also reinforces
             previous speculation1,2 that by inducing donor cells to become
             quiescent it will be possible to obtain normal development from
             a wide variety of differentiated cells.

             It has long been known that in amphibians, nuclei transferred
             from adult keratinocytes established in culture support
             development to the juvenile, tadpole stage3. Although this
             involves differentiation into complex tissues and organs, no
             development to the adult stage was reported, leaving open the
             question of whether a differentiated adult nucleus can be fully
             reprogrammed. Previously we reported the birth of live lambs
             after nuclear transfer from cultured embryonic cells that had
             been induced into quiescence. We suggested that inducing the
             donor cell to exit the growth phase causes changes in chromatin
             structure that facilitate reprogramming of gene expression and
             that development would be normal if nuclei are used from a
             variety of differentiated donor cells in similar regimes. Here
             we investigate whether normal development to term is possible
             when donor cells derived from fetal or adult tissue are induced
             to exit the growth cycle and enter the G0 phase of the cell
             cycle before nuclear transfer.

             Three new populations of cells were derived from (1) a day-9
             embryo, (2) a day-26 fetus and (3) mammary gland of a
             6-year-old ewe in the last trimester of pregnancy. Morphology
             of the embryo-derived cells (Fig. 1) is unlike both mouse
             embryonic stem (ES) cells and the embryo-derived cells used in
             our previous study. Nuclear transfer was carried out according
             to one of our established protocols1 and reconstructed embryos
             transferred into recipient ewes. Ultrasound scanning detected
             21 single fetuses on day 50--60 after oestrus (Table 1). On
             subsequent scanning at ~14-day intervals, fewer fetuses were
             observed, suggesting either mis-diagnosis or fetal loss. In
             total, 62% of fetuses were lost, a significantly greater
             proportion than the estimate of 6% after natural mating4.
             Increased prenatal loss has been reported after embryo
             manipulation or culture of unreconstructed embryos5. At about
             day 110 of pregnancy, four fetuses were dead, all from
             embryo-derived cells, and post-mortem analysis was possible
             after killing the ewes. Two fetuses had abnormal liver
             development, but no other abnormalities were detected and there
             was no evidence of infection.

             [Image]

             Figure 1 Phase-contrast photomicrograph of donor-cell
             populations: a, Embryo-derived cells (SEC1); b, fetal
             fibroblasts (BLWF1); c, mammary-derived cells (OME). d,
             Microsatellite analysis of recipient ewes, nuclear donor cells
             and lambs using four polymorphic ovine markers22. The ewes are
             arranged from left to right in the same order as the lambs.
             Cell populations are embryo-derived (SEC1), fetal-derived
             (BLW1), and mammary-derived (OME), respectively. Lambs have the
             same genotype as the donor cells and differ from their
             recipient mothers.

              Table 1 Development of embryos reconstructed
                      with three different cell types

             Eight ewes gave birth to live lambs (Table 1, Fig. 2). All
             three cell populations were represented. One weak lamb, derived
             from the fetal fibroblasts, weighed 3.1 kg and died within a
             few minutes of birth, although post-mortem analysis failed to
             find any abnormality or infection. At 12.5%, perinatal loss was
             not dissimilar to that occurring in a large study of commercial
             sheep, when 8% of lambs died within 24 h of birth6. In all
             cases the lambs displayed the morphological characteristics of
             the breed used to derive the nucleus donors and not that of the
             oocyte donor (Table 2). This alone indicates that the lambs
             could not have been born after inadvertent mating of either the
             oocyte donor or recipient ewes. In addition, DNA microsatellite
             analysis of the cell populations and the lambs at four
             polymorphic loci confirmed that each lamb was derived from the
             cell population used as nuclear donor (Fig. 1). Duration of
             gestation is determined by fetal genotype7, and in all cases
             gestation was longer than the breed mean (Table 2). By
             contrast, birth weight is influenced by both maternal and fetal
             genotype8. The birth weight of all lambs was within the range
             for single lambs born to Blackface ewes on our farm (up to 6.6
             kg) and in most cases was within the range for the breed of the
             nuclear donor. There are no strict control observations for
             birth weight after embryo transfer between breeds, but the
             range in weight of lambs born to their own breed on our farms
             is 1.2--5.0 kg, 2--4.9 kg and 3--9 kg for the Finn Dorset,
             Welsh Mountain and Poll Dorset genotypes, respectively. The
             attainment of sexual maturity in the lambs is being monitored.

             [Image]

             Figure 2 Lamb number 6LL3 derived from the mammary gland of a
             Finn Dorset ewe with the Scottish Blackface ewe which was the
             recipient.

              Table 2 Delivery of lambs developing from embryos derived by
              nuclear transfer from three different donor cells types,
              showing gestation length and birth weight
                                                     Duration of    Birth
              Cell type       Breed of      Lamb      pregnancy     weight
                                lamb      identity
                                                       (days)*       (kg)
              Mammary        Finn
              epithelium     Dorset         6LL3         148         6.6
              Fetal          Black
              fibroblast     Welsh
                             Black          6LL7         152         5.6
                             Welsh          6LL8         149         2.8
                             Black         6LL9  156         3.1
                             Welsh
              Embryo-        Poll
              derived        Dorset
                             Poll           6LL1         149         6.5
                             Dorset        6LL2  152         6.2
                             Poll           6LL5         148         4.2
                             Dorset        6LL6  152         5.3
                             Poll
                             Dorset
              * Breed averages are 143, 147 and 145 days, respectively for
              the three genotypes Finn Dorset, Black Welsh Mountain and
              Poll Dorset.

               This lamb died within a few minutes of birth.

              These lambs were delivered by caesarian section. Overall the
              nature of the assistance provided by the veterinary surgeon
              was similar to that expected in a commercial flock.

             Development of embryos produced by nuclear transfer depends
             upon the maintenance of normal ploidy and creating the
             conditions for developmental regulation of gene expression.
             These responses are both influenced by the cell-cycle stage of
             donor and recipient cells and the interaction between them
             (reviewed in ref. 9). A comparison of development of mouse and
             cattle embryos produced by nuclear transfer to oocytes10,11 or
             enucleated zygotes12,13 suggests that a greater proportion
             develop if the recipient is an oocyte. This may be because
             factors that bring about reprogramming of gene expression in a
             transferred nucleus are required for early development and are
             taken up by the pronuclei during development of the zygote.

             If the recipient cytoplasm is prepared by enucleation of an
             oocyte at metaphase II, it is only possible to avoid
             chromosomal damage and maintain normal ploidy by transfer of
             diploid nuclei14,15, but further experiments are required to
             define the optimum cell-cycle stage. Our studies with cultured
             cells suggest that there is an advantage if cells are quiescent
             (ref. 1, and this work). In earlier studies, donor cells were
             embryonic blastomeres that had not been induced into
             quiescence. Comparisons of the phases of the growth cycle
             showed that development was greater if donor cells were in
             mitosis16 or in the G1 (ref. 10) phase of the cycle, rather
             than in S or G2 phases. Increased development using donor cells
             in G0, G1 or mitosis may reflect greater access for
             reprogramming factors present in the oocyte cycoplasm, but a
             direct comparison of these phases in the same cell population
             is required for a clearer understanding of the underlying
             mechanisms.

             Together these results indicate that nuclei from a wide range
             of cell types should prove to be totipotent after enhancing
             opportunities for reprogramming by using appropriate
             combinations of these cell-cycle stages. In turn, the
             dissemination of the genetic improvement obtained within elite
             selection herds will be enhanced by limited replication of
             animals with proven performance by nuclear transfer from cells
             derived from adult animals. In addition, gene targeting in
             livestock should now be feasible by nuclear transfer from
             modified cell populations and will offer new opportunities in
             biotechnology. The techniques described also offer an
             opportunity to study the possible persistence and impact of
             epigenetic changes, such as imprinting and telomere shortening,
             which are known to occur in somatic cells during development
             and senescence, respectively.

             The lamb born after nuclear transfer from a mammary gland cell
             is, to our knowledge, the first mammal to develop from a cell
             derived from an adult tissue. The phenotype of the donor cell
             is unknown. The primary culture contains mainly mammary
             epithelial (over 90%) as well as other differentiated cell
             types, including myoepithelial cells and fibroblasts. We cannot
             exclude the possibility that there is a small proportion of
             relatively undifferentiated stem cells able to support
             regeneration of the mammary gland during pregnancy. Birth of
             the lamb shows that during the development of that mammary cell
             there was no irreversible modification of genetic information
             required for development to term. This is consistent with the
             generally accepted view that mammalian differentiation is
             almost all achieved by systematic, sequential changes in gene
             expression brought about by interactions between the nucleus
             and the changing cytoplasmic environment17.

             Methods

             Embryo-derived cells were obtained from embryonic disc of a
             day-9 embryo from a Poll Dorset ewe cultured as described1,
             with the following modifications. Stem-cell medium was
             supplemented with bovine DIA/LIF. After 8 days, the explanted
             disc was disaggregated by enzymatic digestion and cells
             replated onto fresh feeders. After a further 7 days, a single
             colony of large flattened cells was isolated and grown further
             in the absence of feeder cells. At passage 8, the modal
             chromosome number was 54. These cells were used as nuclear
             donors at passages 7--9. Fetal-derived cells were obtained from
             an eviscerated Black Welsh Mountain fetus recovered at autopsy
             on day 26 of pregnancy. The head was removed before tissues
             were cut into small pieces and the cells dispersed by exposure
             to trypsin. Culture was in BHK 21 (Glasgow MEM; Gibco Life
             Sciences) supplemented with L-glutamine (2 mM), sodium pyruvate
             (1 mM) and 10% fetal calf serum. At 90% confluency, the cells
             were passaged with a 1 : 2 division. At passage 4, these
             fibroblast-like cells (Fig. 1) had modal chromosome number of
             54. Fetal cells were used as nuclear donors at passages 4--6.
             Cells from mammary gland were obtained from a 6-year-old Finn
             Dorset ewe in the last trimester of pregnancy18. At passages 3
             and 6, the modal chromosome number was 54 and these cells were
             used as nuclear donors at passage numbers 3--6.

             Nuclear transfer was done according to a previous protocol1.
             Oocytes were recovered from Scottish Blackface ewes between 28
             and 33 h after injection of gonadotropin-releasing hormone
             (GnRH), and enucleated as soon as possible. They were recovered
             in calcium- and magnesium-free PBS containing 1% FCS and
             transferred to calcium-free M2 medium19 containing 10% FCS at
             37 캜. Quiescent, diploid donor cells were produced by reducing
             the concentration of serum in the medium from 10 to 0.5% for 5
             days, causing the cells to exit the growth cycle and arrest in
             G0. Confirmation that cells had left the cycle was obtained by
             staining with antiPCNA/cyclin antibody (Immuno Concepts),
             revealed by a second antibody conjugated with rhodamine
             (Dakopatts).

             Fusion of the donor cell to the enucleated oocyte and
             activation of the oocyte were induced by the same electrical
             pulses, between 34 and 36 h after GnRH injection to donor ewes.
             The majority of reconstructed embryos were cultured in ligated
             oviducts of sheep as before, but some embryos produced by
             transfer from embryo-derived cells or fetal fibroblasts were
             cultured in a chemically defined medium20. Most embryos that
             developed to morula or blastocyst after 6 days of culture were
             transferred to recipients and allowed to develop to term (Table
             1). One, two or three embryos were transferred to each ewe
             depending upon the availability of embryos. The effect of cell
             type upon fusion and development to morula or blastocyst was
             analysed using the marginal model of Breslow and Clayton21. No
             comparison was possible of development to term as it was not
             practicable to transfer all embryos developing to a suitable
             stage for transfer. When too many embryos were available, those
             having better morphology were selected.

             Ultrasound scan was used for pregnancy diagnosis at around day
             60 after oestrus and to monitor fetal development thereafter at
             2-week intervals. Pregnant recipient ewes were monitored for
             nutritional status, body condition and signs of EAE, Q fever,
             border disease, louping ill and toxoplasmosis. As lambing
             approached, they were under constant observation and a
             veterinary surgeon called at the onset of parturition.
             Microsatellite analysis was carried out on DNA from the lambs
             and recipient ewes using four polymorphic ovine markers22.

             Correspondence should be addressed to I.W. (e-mail
             Ian.Wilmut@bbsrc.ac.uk).



             We thank A. Colman for his involvement throughout this
             experiment and for guidance during the preparation of this
             manuscript; C. Wilde for mammary-derived cells; M. Ritchie,
             J. Bracken, M. Malcolm-Smith, W. A. Ritchie, P. Ferrier and K.
             Mycock for technical assistance; D. Waddington for statistical
             analysis; and H. Bowran and his colleagues for care of the
             animals. This research was supported in part by the Ministry of
             Agriculture, Fisheries and Food. The experiments were conducted
             under the Animals (Scientific Procedures) Act 1986 and with the
             approval of the Roslin Institute Animal Welfare and Experiments
             Committee.

             ---------------------------------------------------------------
             References
               1. Campbell, K. H. S., McWhir, J., Ritchie, W. A. & Wilmut,
                  I. Nature 380, 64--66  (1996).
               2. Solter, D. Nature 380, 24--25  (1996).
               3. Gurdon, J. B., Laskey, R. A. & Reeves, O. R. J. Embryol.
                  Exp. Morph. 34, 93--112  (1975).
               4. Quinlivan, T. D., Martin, C. A., Taylor, W. B. & Cairney,
                  I. M. J. Reprod. Fert. 11, 379--390  (1966).
               5. Walker, S. K., Heard, T. M. & Seamark, R. F.
                  Therio 37, 111--126  (1992).
               6. Nash, M. L., Hungerford, L. L., Nash, T. G. & Zinn, G. M.
                  Vet. Rec. 139, 64--67  (1996).
               7. Bradford, G. E., Hart, R., Quirke, J. F. & Land, R. B. J.
                  Reprod. Fert. 30, 459--463  (1972).
               8. Walton, A. & Hammond, J. Proc. R. Soc.
                  B 125, 311--335  (1938).
               9. Campbell, K. H. S., Loi, P., Otaegui, P. J. & Wilmut, I.
                  Rev. Reprod. 1, 40--46  (1996).
              10. Cheong, H.-T., Takahashi, Y. & Kanagawa, H. Biol.
                  Reprod. 48, 958--963  (1993).
              11. Prather, R. S. Biol. Reprod. 37, 859--866  (1987).
              12. McGrath, J. & Solter, D. Science 226, 1317--1318  (1984).
              13. Robl, J. M. J. Anim. Sci. 64, 642--647  (1987).
              14. Campbell, K. H. S., Ritchie, W. A. & Wilmut, I. Biol.
                  Reprod. 49, 933--942  (1993).
              15. Barnes, F. L. Mol. Reprod. Dev. 36, 33--41  (1993).
              16. Kwon, O. Y. & Kono, T. J. Reprod. Fert. Abst.
                  Ser. 17, 30  (1996).
              17. Gurdon, J. B.  ,  Oxford University Press, Oxford 1974.
              18. Finch, L. M. B. Biochem. Soc. Trans. 24, 369S  (1996).
              19. Whitten, W. K. & Biggers, J. D. J. Reprod.
                  Fertil. 17, 399--401  (1968).
              20. Gardner, D. K., Lane, M., Spitzer, A. & Batt, P. A. Biol.
                  Reprod. 50, 390--400  (1994).
              21. Breslow, N. E. & Clayton, D. G. J. Am. Stat.
                  Assoc. 88, 9--25  (1993).
              22. Buchanan, F. C., Littlejohn, R. P., Galloway, S. M. &
                  Crawford, A. L. Mammal. Gen. 4, 258--264  (1993).

Registered No. 785998 England.

@주팔.

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글 목록][이 전][다 음]
키 즈 는 열 린 사 람 들 의 모 임 입 니 다.