小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞携带一套来源于精子的遗传物质，与二倍体胚胎干细胞相似，拥有干细胞的自我更新和多向分化等特性，能够在体外长期稳定地培养。重要的是，该细胞能够代替精子在注入到卵母细胞中后，产生半克隆小鼠。因其兼具干细胞和精子特性，故又被称为“人造精子”细胞或者类精子干细胞。将孤雄单倍体胚胎干细胞与CRISPR-Cas9（clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9）等新型基因编辑技术结合起来，能够在细胞水平和动物个体水平进行精准、复杂和高通量的遗传改造，为基因的功能研究提供了强有力的工具。本文综述了孤雄单倍体胚胎干细胞的建立，及其在印记基因功能研究、遗传筛选、人类疾病模拟和蛋白质标签打靶等方面的应用。

细胞重编程一般是指将分化细胞转变成全能性胚胎或多能性细胞的过程,是研究发育和分化的重要手段,为再生医学、疾病个体化治疗及药物筛选等提供了巨大的应用前景.诱导细胞重编程的方法有多种,如细胞培养、卵子介导的核移植(nuclear transfer)、细胞融合、山中伸弥因子介导的诱导多能干细胞(iPSC)技术等.以国家自然科学基金重大研究计划为依托,李劲松课题组围绕着卵子介导的细胞重编程领域开展了系统的研究,取得了一系列突破性的进展:完善了卵子介导的核移植体系;建立精子和卵子来源的“类精子”的单倍体胚胎干细胞系和半克隆技术;建立人和猴子的孤雌单倍体胚胎干细胞系;卵子介导的重编程与iPSC技术比较揭示影响重编程的重要因子;建立卵子介导遗传疾病治疗的策略.现主要对卵子介导细胞重编程的基础与应用研究的原创性实验成果进行综述,并展望未来关注的重点研究方向.

单倍体细胞在遗传筛选、生物发育与辅助生殖等研究中都具有重要的应用价值.近年来,有实验室建立了哺乳动物的单倍体胚胎干细胞系,但这些单倍体胚胎干细胞是否真的具有多能性以及转基因的单倍体胚胎干细胞能否直接从细胞水平传递到动物水平,这些问题并不清楚.以自然科学基金委重大研究计划为依托,周琪实验室开展了系统的研究,获得了一系列前沿性进展:获得了具有多能性的单倍体胚胎干细胞;利用单倍体胚胎干细胞获得基因修饰动物;利用单倍体胚胎干细胞替代精、卵结合获得后代;利用单倍体胚胎干细胞进行同性生殖;利用单倍体胚胎干细胞研究物种间杂交.这一系列自主创新的研究成果推进了整个领域对单倍体胚胎干细胞的认识,大大拓展了单倍体胚胎干细胞研究的理论价值和应用前景.现主要对自然科学基金委重大研究计划中周琪实验室的原创性工作进行综述.

随着以CRISPR-Cas9为代表的新型基因编辑技术的出现及发展应用,科学家们在构建非人灵长类基因修饰模型方面取得了很多重要进展.然而,首建动物嵌合、复杂基因修饰低效、传代周期长以及遗传背景复杂等多方面因素极大地限制了非人灵长类基因修饰模型的开发和应用.现对目前非人灵长类基因编辑模型构建的进展进行综述,并重点对基因编辑技术结合体细胞核移植、精原干细胞、胚胎干细胞及单倍体干细胞等技术手段在非人灵长类基因修饰模型构建中的进展进行综述和展望.

近几十年是干细胞领域飞速发展的重要时期.随着中国经济实力的发展壮大,科研实力也在稳步增强,干细胞研究领域达到了国际并跑甚至领跑的水平.本文从体细胞核移植、诱导多能干细胞、单倍体多能干细胞和胚胎早期发育研究4个方面,对中国细胞重编程和干细胞领域的研究进展进行了历史性回顾,总结了中国科学家在相关领域所取得的重要科研成果.随着单细胞测序技术的发展,各种发育过程将实现更为深入的解读,干细胞的临床应用在中国也会大放异彩.

“人造精子”,即小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞,是一种可在体外长期培养扩增和进行遗传操作的细胞,因其具备胚胎干细胞自我更新和多向分化的特性,并拥有代替精子使卵母细胞“受精”,产生半克隆小鼠的能力,而被广泛应用于生命科学研究的各个领域.与CRISPR-Cas9技术相结合, “人造精子”能够同时实现细胞水平和动物水平的复杂基因编辑,因此可作为一个有力的研究工具.本文就“人造精子”技术的建立与改进、在基因编辑方面的应用,以及全基因组标签计划的提出与进展展开综述.

非梗阻性无精子症(N OA)是男性不育的重大难题.干细胞是一群具有自我更新和多向分化能力的细胞.胚胎干细胞和诱导多能干细胞能够通过分化产生精子,但面临着伦理的制约且有成瘤风险.精原干细胞能够通过分化产生单倍体配子,但人精原干细胞培养仍较困难.间充质干细胞通过旁分泌作用促进精子生成.间质干细胞能够分泌睾酮影响精子生成.多种干细胞二维平面共培养及3D睾丸类器官培养更好地模拟了睾丸生精微环境,促进精子生成.干细胞在NOA中的治疗中取得一定的进展,但仍存在不足与困难.本文主要对目前各种干细胞治疗NOA的研究进行总结,介绍了各种干细胞在无精子症治疗中的应用前景与存在缺陷,为干细胞在NOA中的研究及应用提供参考.

单倍体胚胎干细胞(haESCs)是只包含一组从精子或卵子遗传而来的基因组的干细胞,被称为孤雄单倍体胚胎干细胞(AG-haESCs)或孤雌单倍体胚胎干细胞(PG-haESCs).近年来人们对haESCs的研究从脊椎动物、哺乳动物、非人灵长类动物到人类,不断取得突破性进展,建立起了各种动物的孤雄和孤雌单倍体干细胞系.haESCs既有与二倍体胚胎干细胞相似的多能性又有类似于配子的特性,故可用于产生半克隆小鼠,配合基因编辑技术与基因筛选系统,为个体水平研究基因功能和表观遗传修饰提供了强有力的工具,具有广泛的应用前景.本文综述了haESCs的特性及其应用进展,提出了haESCs研究过程中尚未完全解决的关键问题以及它们在基因筛选方面的潜在应用.

类精子单倍体胚胎干细胞是源自小鼠孤雄囊胚中的一种新型单倍体胚胎干细胞,仅含有父源遗传物质,性染色体为X染色体,能在体外长期自我更新、增殖或诱导分化,并可以利用CRISPR系统进行单基因或多基因的编辑,能替代精子使卵母细胞受精.区别于原核注射、卵胞质内注射获得嵌合体或利用四倍体补偿技术等传统构建基因修饰小鼠模型的方法,通过将基因编辑后的类精子单倍体胚胎干细胞注射到卵母细胞中,可以高效稳定地一步获得基因型确定的半克隆小鼠,不会存在嵌合现象,原代小鼠即可用于研究.基于类精子单倍体胚胎干细胞获得的多基因精准编辑的复杂疾病小鼠模型,可以在生物个体水平上阐述多个基因协同互作的效应,从而更充分地模拟复杂的、可能受多个基因影响的人类疾病的各种病理特征,以挖掘新的诊断和治疗方法.

“类精子干细胞”（即小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞）是中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李劲松团队率先建立，后证明其能代替精子使卵子受精产生健康小鼠（即“半克隆技术”），并利用类精子干细胞携带CRIPSR/Cas9文库实现了小鼠个体水平的遗传筛选，推动基于类精子干细胞技术的基因组标签计划。相关研究成果于2011年和2012年入选“中国科学十大进展”。 基因修饰小鼠模型一直是科学界广泛使用的动物模型之一。该模型的使用让阐明人类疾病发生机制并进行新药临床前试验变得更为直观、简便。但是目前使用传统技术手段如原核注射、卵胞质内注射、基于胚胎干细胞的囊胚注射或四倍体补偿获得的基因修饰小鼠模型只是部分模拟了人类疾病的一些基因突变，尚不能完全概括人类疾病的生理和病理机制。要想解决这些问题，需要建立一个可以最大程度上模拟患者复杂体系及相关复杂机制的人源化或类人化小鼠模型。而类精子单倍体胚胎干细胞技术的出现为构建精确可控、多基因、复杂编辑的小鼠模型提供了一种全新的有力工具。