Blastocyst complementation using Prdm14-deficient rats enables efficient germline transmission and generation of functional mouse spermatids in rats

Abstract

Murine animal models from genetically modified pluripotent stem cells (PSCs) are essential for functional genomics and biomedical research, which require germline transmission for the establishment of colonies. However, the quality of PSCs, and donor-host cell competition in chimeras often present strong barriers for germline transmission. Here, we report efficient germline transmission of recalcitrant PSCs via blastocyst complementation, a method to compensate for missing tissues or organs in genetically modified animals via blastocyst injection of PSCs. We show that blastocysts from germline-deficient Prdm14 knockout rats provide a niche for the development of gametes originating entirely from the donor PSCs without any detriment to somatic development. We demonstrate the potential of this approach by creating PSC-derived Pax2/Pax8 double mutant anephric rats, and rescuing germline transmission of a PSC carrying a mouse artificial chromosome. Furthermore, we generate mouse PSC-derived functional spermatids in rats, which provides a proof-of-principle for the generation of xenogenic gametes in vivo. We believe this approach will become a useful system for generating PSC-derived germ cells in the future.

Chimery z udziałem pluripotentnych komórek macierzystych jako narzędzie w badaniach biomedycznych

“…PR-domain containing protein 14), którego brak uniemożliwił specyfikację szczurzych komórek płciowych. Dzięki temu w rozwijających się chimerach mogły powstać gamety pochodzenia mysiego [76]. Na skutek wprowadzonej mutacji, od 15. dnia rozwoju gonady kolonizowały wyłącznie mysie pierwotne komórki płciowe, a w dorosłych chimerach obecne były trzy jądra, z czego dwa zbudowane wyłącznie z mysich komórek płciowych, zdolnych do przechodzenia prawidłowej spermatogenezy.…”

“…Powstające z nich mysie spermatydy charakteryzowały się co prawda zaburzoną ruchliwością, ale były zdolne do zapłodnienia mysich oocytów metodą in vitro i w konsekwencji dawały normalne potomstwo. To doświadczenie dało nadzieję na to, że dzięki komplementacji blastocysty w linii płciowej możliwe będzie wydajne otrzymywanie gamet, a z nich zarodków, które po transplantacji do biorczyni blisko spokrewnionego gatunku, rozwijałyby się w osobniki należące do gatunków zagrożonych lub wymarłych [76]. Uzyskanie w ostatnim czasie komórek iPS m.in.…”

Les chimères « systémiques » homme/animal

“…Une étude récente a étudié la complémentation développementale rat/souris dans la cadre de la différenciation germinale [10]. Des cellules ES et iPS de souris ont été introduites dans des blastocystes de rat dont le gène Prdm14 sino-américaine réalisé cette expérience et a cultivé des embryons de macaque cynomolgus de 5 à 13 jours après injection de cellules iPS humaines [22].…”

Triple gene editing in porcine embryos using electroporation alone or in combination with microinjection

“…Blastocyst complementation can be used to generate human entire organs from iPS cells in genetically modified pigs. The pigs are allowed to grow to a mature age before transplantation of the organ back into human patients [3][4][5]. Hyperacute rejection has been considered an unavoidable consequence of the transplantation of vascularized xenograft organs between two phylogenetically distant species [6].…”