Although nuclear transfer (NT) techniques are used to clone animals, its efficiency is very low. Moreover, nuclear transfer has resulted in offspring with severe developmental problems, probably due to incomplete nuclear reprogramming. Nuclear reprogramming is characterized by functional modification of the transferred nucleus to allow it to direct normal embryo development with the potential to grow to term. Although the nature of the reprogramming factor(s) in mammals is not clear, various nuclear as well as cytoplasmic components are involved in the processes. In this article we review recent data on factors involved in the nuclear reprogramming of cloned embryos.
Somatic cell nuclear transfer (SCNT) is a useful tool for reproducing genetically identical animals or producing transgenic animals. Many reports have demonstrated that the efficiency of animal cloning by SCNT requires reprogramming of the somatic nucleus to a totipotent like-state. The SCNT-related reprogramming might mimic the natural reprogramming process that occurs during normal mammalian development. However, recent evidence indicates that the reprogramming event by SCNT is incomplete. In this study, the traditional SCNT procedure (TNT) was modified by injecting donor nuclei into recipient cytoplasm prior to the enucleation process to expose the donor nucleus before removing the karyoplast containing the chromosomes of the oocytes which might possess additional reprogramming factors, and this modified technique was named as reversing the usual order of SCNT (RONT). Other procedures including activation and in vitro culture were the same as TNT. Contrary to expectations, the rate of blastocyst development was not different significantly between RONT and TNT (8.6% and 7.9%, respectively). However, duration of micromanipulation performed by the same technician and equipments was remarkably reduced because the ruptured oocytes after nuclear injection were excluded from the enucleation process. This study suggests that RONT, a simplified SCNT protocol, shortens the duration of SCNT procedure and this less time-costing protocol may enable the researchers to perform murine SCNT easier.
Recent studies on nuclear transfer and induced pluripotent stem cells have demonstrated that differentiated somatic cells can be returned to the undifferentiated state by reversing their developmental process. These epigenetically reprogrammed somatic cells may again be differentiated into various cell types, and used for cell replacement therapies through autologous transplantation to treat many degenerative diseases. To date, however, reprogramming of somatic cells into undifferentiated cells has been extremely inefficient. Hence, reliable markers to identify the event of reprogramming would assist effective selection of reprogrammed cells. In this study, a transgene construct encoding enhanced green fluorescent protein (EGFP) under the regulation of human Oct4 promoter was developed as a reporter for the reprogramming of somatic cells. Microinjection of the transgene construct into pronuclei of fertilized mouse eggs resulted in the emission of green fluorescence, suggesting that the undifferentiated cytoplasmic environment provided by fertilized eggs induces the expression of EGFP. Next, the transgene construct was introduced into human embryonic fibroblasts, and the nuclei from these cells were transferred into enucleated porcine oocytes. Along with their in vitro development, nuclear transfer embryos emitted green fluorescence, suggesting the reprogramming of donor nuclei in nuclear transfer embryos. The results of the present study demonstrate that expression of the transgene under the regulation of human Oct4 promoter coincides with epigenetic reprogramming, and may be used as a convenient marker that non-invasively reflects reprogramming of somatic cells.
Proceedings of the Korean Society of Embryo Transfer Conference
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2002.11a
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pp.43-55
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2002
Cloning by nuclear transfer in mammals using somatic cells has enormous potential applications. However, somatic cloning has been inefficient in all species in which NT is successful. High abortion and fetal death rates have been observed. These developmental defects have been attributed to incomplete nuclear reprogramming by the somatic cloning process. In this review, we will discuss studies conducted in our labs to understand the nuclear reprogramming process.
Kim, Min-Goo;Park, Chi-Hun;Lee, Sang-Goo;Seo, Hee-Won;Choi, Yo-Han;Lee, Chang-Kyu;Ka, Hak-Hyun
Journal of Embryo Transfer
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v.23
no.2
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pp.67-76
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2008
Since the birth of Dolly using fully differentiated somatic cells as a nuclear donor, viable clones were generated successfully in many mammalian species. These achievements in animal cloning demonstrate developmental potential of terminally differentiated somatic cells. At the same time, the somatic cell nuclear transfer (SCNT) technique provides the opportunities to study basic and applied biosciences. However, the efficiency generating viable offsprings by SCNT remains extremely low. There are several explanations why cloned embryos cannot fully develop into viable animals and what factors affect developmental potency of reconstructed embryos by the SCNT technique. The most critical and persuasive explanation for inefficiency in SCNT cloning is incomplete genomic reprogramming, such as DNA methylation and histone modification. Numerous studies on genomic reprogramming demonstrated that incorrect DNA methylation and aberrant epigenetic reprogramming are considerably correlated with abnormal development of SCNT cloned embryos even though its mechanism is not fully understood. The SCNT technique is useful in cloning farm animals because pluripotent stem cells are not established in farm animal species. Therapeutic cloning combined with genetic manipulation will help to control various human diseases. Also, the SCNT technique provides a chance to overcome excessive demand for the organs by production of transgenic animals as xenotransplantation resources. Here, we describe the factors affecting the efficiency of generating cloned farm animals by the SCNT technique and discuss future directions of animal cloning by SCNT to improve the cloning efficiency.
Successful somatic cell nuclear transfer (SCNT) has been reported across a range of species using a range of recipient cells including enucleated metaphase II (MII) arrested oocytes, enucleated activated MII oocytes, and mitotic zygotes. However, the frequency of development to term varies significantly, not only between different cytoplast recipients but also within what is thought to be a homogenous population of cytoplasts. One of the major differences between cytoplasts is the activities of the cell cycle regulated protein kinases, maturation promoting factor (MPF) and mitogen activated protein kinase (MAPK). Dependent upon their activity, exposure of the donor nucleus to these kinases can have both positive and negative effects on subsequent development. Co-ordination of cell cycle stage of the donor nucleus with the activities of MPF and MAPK in the cytoplast is essential to avoid DNA damage and maintain correct ploidy. However, recent information suggests that these kinases may also effect reprogramming of the somatic nucleus and preimplantation embryo development by other mechanisms. This article will summarise the differences between cytoplast recipients, their effects on development and discuss the potential role/s of MPF and or MAPK in nuclear reprogramming.
Park, Joo-Hee;Choi, Yong-Lak;Kwon, Dae-Jin;Hwang, In-Sun;Park, Choon-Keun;Yang, Boo-Keun;Cheong, Hee-Tae
Reproductive and Developmental Biology
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v.33
no.4
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pp.223-228
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2009
We attempted to control the maturation promoting factor (MPF) activity and investigated the subsequent reprogramming of bovine somatic cell nuclear transfer (SCNT) embryos. Serum-starved adult skin fibroblasts were fused to enucleated oocytes treated with 2.5 mM caffeine or $150\;{\mu}M$ roscovitine. The MPF activity, nuclear remodeling patterns, chromosome constitutions and development of SCNT embryos were evaluated. Methylated DNA of embryos was detected at various developmental stages. The MPF activity was increased by caffeine treatment or reduced by roscovitine treatment (p<0.05). Blastocyst development was higher in the caffeine-treated groups (27.6%) than that of the roscovitine-treated group (8.3%, p<0.05). There was no difference in the apoptotic cell index among the three groups. However, the mean cell number of blastocysts was increased in the caffeine-treated group (p<0.05). Higher methylation levels were observed in the Day 3 embryos of the roscovitine-treated group (50.8%), whereas lower methylation levels were noted at Day 5 in the caffeine-treated group (12.5%, p<0.05). These results reveal that the increase in MPF activity via a caffeine-treatment creates a more suitable condition for nuclear reprogramming after SCNT.
The generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from patients' somatic cells provides a new paradigm for studying human genetic diseases. Human iPSCs which have similar properties of human embryonic stem cells (hESCs) provide a powerful platform to recapitulate the disease-specific cell types by using various differentiation techniques. This promising technology has being realized the possibility to explore pathophysiology of many human genetic diseases at the molecular and cellular levels. Furthermore, disease-specific human iPSCs can also be used for patient-based drug screening and new drug discovery at the stage of the pre-clinical test in vitro. In this review, we summarized the concept and history of cellular reprogramming or iPSC generation and highlight recent progresses for disease modeling using patient-specific iPSCs.
Han Yong-Mahn;Kang Yong-Kook;Koo Deog-Bon;Lee Kyung-Kwang
Development and Reproduction
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v.7
no.2
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pp.61-68
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2003
Zygote genome should entail a complex process of epigenetic reprogramming including a global DNA demethylation to reach a totipotency or pluripotency during early mammalian development. In this study, we have analyzed methylation patterns in cloned bovine embryos to monitor the epigenetic reprogramming process of donor genomic DNA. Aberrant DNA methylation patterns were observed in various genomic regions of cloned embryos except single-copy gene sequences. The overall genomic methylation status of cloned embryos was quite different from that of normal embryos produced in viかo or in vivo. Abnormal methylation profiles were also specifically represented in trophectoderm cells of cloned embryos, which probably result in widespread gene dysregulation in extraembryonic region or placental dysfunction familiar to cloned animals. Our findings suggest that developmental failures of cloned embryos are due to incomplete epigenetic reprogramming of donor genomic DNA. Understanding the epigenetic reprogramming processes of donor genome will clearly define the faulty development of cloned embryos.
Animal clones derived from somatic cells have been successfully produced in a variety of mammalian species such as sheep, cattle, mice, goats, pigs, cat and rabbits. However, there are still many unsolved problems in the present cloning technology. Somatic cell nuclear transfer has shown several developmental aberrancies including high rate of abortion in early gestation and increased perinatal death. These developmental failures of cloned embryos may arise from abnormal reprogramming of donor genome and/or incomplete cloning procedure. We have found that overall genomic methylation status of cloned bovine embryos is quite different from that of normal embryos in various genomic regions, suggesting that the developmental failures of cloned embryos may be due to incomplete reprogramming of donor genomic DNA. Many of the advances in understanding the molecular events for reprogramming of donor genome will more clarify the developmental defects of cloned embryos.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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