大鼠是最早被应用于科学研究的哺乳类模式动物。虽然小鼠作为模式动物广泛应用于科学研究,但和小鼠相比,大鼠体现出了很多优势,比如大鼠体型比小鼠大很多,便于进行各种外科手术,并且与小鼠相比在生理调节和药理反应等方面与人类的更相近,因此大鼠已经被广泛地应用于生理学、免疫学、移植医学、神经科学、癌症学、遗传学和老化等领域。1981年第一株小鼠胚胎干细胞系被成功建立,其能够在体外无限扩增,且具有发育的多能性,因此在基因功能研究、基因修饰以及细胞治疗和临床等方面都有广阔的应用前景。第一只克隆小鼠由日本科学家Wakayama首次成功完成,虽然之后大鼠克隆也由周琪通过调整卵母细胞激活周期而完成,但一直以来大鼠胚胎干细胞没有被成功建立,因此在构建基因敲除动物模型领域,大鼠的研究远远落后于小鼠。2008年,华人科学家应其龙等利用无血清培养体系,即基础培养液N2B27添加GSK3及ERK/MEK信号通路的抑制因子（2i:CHIR99021,PD0325901）及大鼠Lif,首次建立了具有种系嵌合能力的真正的大鼠胚胎干细胞系,从而解决了限制大鼠转基因模型研究的瓶颈。但是相比较于小鼠,获得转基因大鼠以及基因敲除大鼠仍然花费更大,这严重影响了大鼠模型在生物研究及医疗领域的应用。2010年,研究人员建立了斑马鱼的单倍体胚胎干细胞系,这些单倍体干细胞只有一套染色体,因此通过正反向遗传筛选技术能够快速地分析哺乳动物发育和一些性状基因调控网络,还可以建立产生纯合子基因突变文库作为发现基因-性状的资源。2011年,第一株哺乳动物孤雌单倍体胚胎干细胞被建立,使得哺乳动物单倍体胚胎干细胞成为了年度研究的热点。2012年,周琪研究组和李劲松研究组同时建立了孤雄单倍体胚胎干细胞系,证明了这些细胞仍然具有雄性配子功能——这些细胞能够代替精子,注入卵母细胞后可以产生健康的小鼠。本研究探索了获得单倍体孤雄及孤雌胚胎的“精子克隆法”和“受精卵去原核法”两种方法,比较了单倍体胚胎体内和体外的发育效率,获得了大鼠单倍体囊胚继而在优化后的5%knock-out serum replacement的N2B27并添加抑制因子PD0325901,CHIR99021,A8301,Y27632以及Lif的培养体系中完成了大鼠孤雄及孤雌单倍体胚胎干细胞的建系。从克隆形态上看,大鼠单倍体胚胎细胞系具有典型的大鼠胚胎干细胞形态,呈克隆状,贴壁或悬浮生长。通过流式细胞分选技术对大鼠单倍体胚胎细胞系根据DNA含量进行分选,通过数次分选可以将单倍体细胞富集。大鼠单倍体胚胎细胞系具有大鼠单倍体（21条）核型,体外培养超过30代的大鼠单倍体胚胎细胞系进行aCGH实验后发现,体外经过反复传代后的大鼠单倍体胚胎干细胞系具有完整的大鼠单倍基因组,并且没有明显的拷贝数变异。从多能性角度分析,大鼠单倍体胚胎细胞系具有较高的多能性水平,主要体现在:碱性磷酸酶染色结果呈阳性;经RT-PCR,免疫荧光染色和western blot等方法检测,我们所建立的大鼠单倍体胚胎干细胞系表达Oct4,Nanog,Sox2和SSEA-1等细胞多能性marker;能够维持自我更新且具有无限传代能力;在随机分化条件下可以在体外分化成拟胚体（Embryoid bodys,EBs）;体内囊胚嵌合实验可以得到高比例嵌合的二倍体嵌合体大鼠,且大部分嵌合体大鼠可以存活至成年,将获得的雌性嵌合体大鼠与SD品系雄性大鼠交配后能够得到种系嵌合的子代大鼠,这首次证明了单X染色体的单倍体孤雄胚胎干细胞具有种系传递能力;利用大鼠单倍体胚胎干细胞的单倍性以及其可自我更新和复制的干细胞特点用PB转座酶系统进行随机位点插入和基因捕获操作获得了突变库;利用cas9系统对大鼠单倍体细胞进行了定点的基因编辑,为研究各种基因功能提供了资源;利用大鼠孤雄单倍体的精子来源特点进行了胞浆内单倍体注射（ICAI）,最终我们获得了到期可育的转基因大鼠。综上所述,本研究所建立的大鼠孤雌及孤雄单倍体胚胎干细胞系具有种系嵌合能力及配子功能,是世界上首次得到的大鼠单倍体胚胎干细胞系。该研究成果对于模式动物大鼠的应用有重要意义,最终为人类疾病研究和药物研发提供更为便捷的模型。