人和几乎全部的高等动物，以及一大部分的高等植物均是二倍体。二倍体指由受精卵发育而来，体细胞中含有两个染色体组的的生物个体。二倍性具有能够稳定个体的遗传特性的作用，一定程度上能避免突变所带来的负面影响，因此，二倍性是有利于生物个体本身的。但是，正是因为二倍性的存在使得两个等位基因同时发生突变产生隐性性状大大降低，不利于遗传分析研究。

所以，单倍体生物由于其单倍性有利于隐性纯合体的获得，在遗传学研究中的优势不容小觑。对于普遍存在于原核和真核单细胞低等生物类群中的单倍体的遗传学研究已经有了很大的进展。但目前，对于哺乳动物的单倍体细胞群的获得仍然不如低等生物那样容易；所以也吸引了一大批科学家来研究哺乳动物单倍体胚胎干细胞的研究。

1983年Kaufman等曾报导从建立了源自小鼠单倍体卵母细胞单倍体干细胞系，因此这些单倍体细胞只含有母源基因。然而，所有这些由孤雌胚胎产生细胞系在培育过程中都会自发产生二倍体的核型。

在2011年，Elling等提出假设：haESCs可能存在与在孤雌早期胚胎中，haESCs也许能从囊胚中产生。Elling等通过实验证明了是可以通过小鼠孤雌胚胎建立haESCs，即孤雌单倍体胚胎干细胞（parthe- nogenetic haploid embryonic stem cells, PG-haESCs）。

Elling等建立PG-haESCs方法简述如下。能否建立胚胎干细胞的关键步骤在于未受精的卵母细胞是否能够被“激活”产生乾性，形成孤雌的胚胎，那幺就需要在体外重複这一“激活”过程。卵母细胞一旦受精，会产生一个Ca震荡信号，激活母源mRNA转录等一系列的“激活”信号，使第二极体排除，受精卵开始卵裂，进而产生整个发育过程。研究发现，可以通过SrCl₂（浓度为25mM）或者5%乙醇重複这一过程，使孤雌卵母细胞发生激活。

Elling等通过这种方式激活了孤雌卵母细胞，排除第二极体后，得到了只含有来自母体的一套染色体。随后就是细胞系的建立过程。Elling等将激活后的卵母细胞移植到另一个代孕母体中。根据他们的假设，在囊胚期(embryonic day = 3.5d)取出了已经发生多次分裂的单倍体细胞，并在适合诱发胚胎干细胞的培养基中离体培养。萤光活性细胞分选（fluorescence-activated cell sorter, FACS）循环筛选表明一小部分孤雌来源的细胞含有“减量的DNA（a reduced DNA content）”。通过多次FACS纯化，Elling等得到了两种不同的囊胚期细胞（被命名为HMSc1和HMSc2）。通过流式细胞分析（flow cytometric analysis）两个细胞系细胞的DNA含量，发现在有丝分裂G1期含有1n倍的染色体，在有丝分裂G2期含有2n倍的染色体。再通过进一步的遗传学分析可以得出通过该种方式能够製备孤雌单倍体胚胎干细胞。

同年，Leeb等也独立地报导了建立了小鼠单倍体胚胎干细胞的成果。Leeb等同样採用了SrCl₂来激活从超速排卵（super- ovulated）的母鼠体内提取的未受精的卵母细胞。与Elling等不同的是，Leeb等没有採用将激活的卵母细胞移植入代孕母鼠体内，而是将激活的卵母细胞置于M16介质中培养，诱导大约22%的卵母细胞转化为囊胚期细胞。接下来，Leeb等仅提取了内细胞团（inner cell mass, ICM）进行进一步的实验。Leeb等将内细胞团细胞置于一种含有白血病抑制因子（leukaemia inhibitory factor，LIF）的2i介质中培养。之后，ICM细胞转化为27组胚胎干细胞系。再通过流式细胞分析，确认单倍体细胞含量保守估计在60%以上。

2012年，中国科学院上海生物所的Yang等在Cell杂誌上发文报导源自小鼠的孤雄单倍体细胞（androgenetic haploid embryonic stem cells, AG-haESCs）的成功建立。Yang等採用了两种方式来建立AG-haESCs。

第一种方式通过核移植（nuclear transfer, NT）完成。Yang等将Oct4-EGFP转基因小鼠（C57BL/6背景）的单倍体精子的头部转移进入了移除了细胞核的卵母细胞中，注意到他们并没有採用体细胞而是卵母细胞。通过Hoechst染色可以发现精子的头部发生了解聚化，同时由于加入的5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine, 5 hmC）信号使得DNA发生了甲基化。这反映了供体核在去核卵母细胞中发生了重构化反应。最终，约有21%的细胞形成了囊胚期细胞。去除掉透明层（zona pellucida）后，Yang等将囊胚在基于Leeb等採用的2i介质的标準ESC培养系统中培育。在产生的34个胚胎干细胞系中，通过FACS技术循环筛选有4个细胞系（命名为AGH-OG-1到AGH-OG-4）能够保持单倍性。

Yang等採用的第二种方式没有採用NT技术。雄性Actin-EGFP转基因小鼠精子首先使卵子受精；在核融合之前，剔除卵母细胞的雌原核（pronucleus），然后就得到了只含来自精子的染色体组——即通过精子与卵子的受精作用“替代”了核移植技术。然后通过相同的2i体外培养技术获得了一个孤雄单倍体胚胎干细胞系（AGH-EG-1）。

为了检测PG-haESCs在体外（in vitro）的分化潜能，Elling等通过培养PG-haESCs证明在形态学上，PG-haESCs可以产生正常形态的胚状体（embryonic body, EB）。同时通过PCR技术发现PG-haESCs中许多ESC标誌性蛋白，如Nanog、Rex1、Oct4、Sox2、Klf4、Sall4和Kfl2在EBs中都得到了下调。而一些指导胚层分化的蛋白如指导中胚层和滋养外胚层分化的Hand1、指导早期内胚层分化的Gata4/6、指导神经外胚层分化的Nestin等都得到了上调。所有的结果都表明PG-haESCs具有分化为三胚层结构的能力。

对于在体内（in vivo）的分化潜能，Elling等通过将HMSc2细胞系的细胞移植入3.5胚龄的二倍体囊胚以期产生嵌合胚（chimaeric embryo）。通过PCR等技术探明HMSc2来源的细胞最终能分化为多种组织；并且很大一部分细胞能够保持单倍性，即，有一部分细胞的染色体组数加倍为二倍。

Leeb等也通过类似的方式证明了相同的结论：PG-haESCs具有多向分化能力（pluripotential）。

对于孤雌单倍体干细胞的生殖分化能力暂不明晰。

Yang等也通过相同的单倍体细胞系移植方式证明其多向分化能力。Li等将AG-haESCs移植进入二倍体囊胚。由于培育的单倍体细胞是带有突变基因标记的，这里通过监测eGFP细胞即可检测由AG-haESCs分化而来的细胞。监测结果显示在胚龄为6.5天由各个胚层发育而来的嵌合体小鼠的脏器都有eGFP阳性信号；但是在所有的eGFP细胞中，没有发现单倍体细胞，可能的原因是与Elling等和Leeb等实验结果类似，发生了自发的二倍化（diploidization）。但是，在胚龄为12.5天的嵌合胚的生殖嵴中能够检测到有标记的细胞，说明PG-haESCs具有生殖分化能力。

综上，AG-haESCs是具有多向分化能力的，但是较之PG-haESCs，AG-haESCs更容易在分裂分化过程中，发生自发的二倍化。

对于PG-haESCs，通过流式细胞分析（flow cytometric analysis）两个细胞系细胞的DNA含量，发现在有丝分裂G1期含有1n倍的染色体，在有丝分裂G2期含有2n倍的染色体。

对于AG-haESCs，同样通过流式细胞分析表明发现在有丝分裂G1期含有1n倍的染色体，在有丝分裂G2期含有2n倍的染色体。值得注意的是，所有的AG-haESCs细胞系中，性染色体均只含一条X染色体，没有发现含有Y染色体的细胞存在。可能的原因是Y染色体缺乏一定必要的指导发育的基因序列，仅携带Y染色体的AG-haESCs难以发育到囊胚阶段。

在Gu等对于Tet3 DNA加双氧酶在卵母细胞表观遗传重编程的作用的研究中，发现了一些单倍体细胞的表观遗传学特性。即在5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethyl- cytosine, 5 hmC）信号能使DNA特定区段发生甲基化。这在“激活”进入去核卵子的精子中起到了非常关键的作用，使得染色体发生解聚化。

此外，单倍体胚胎的印记模式也是值得关注的。Shuai等通过亚硫酸氢盐测序发现，AG-haESCs都含有父源印记，但这种印记不稳定。在体外（in vivo）培养过程中逐渐朝向正常受精来源的ESCs转化，同时，母源印记开始表达。另外，在传代过程中，一些AG-haESCs中的印记基因，如H19，会丢失部分父源印记。这种丢失会造成H19的上调，形成的转基因小鼠的生产率低且发育迟缓。因此haESCs的印记基因对于个体存活有重要影响。

haESCs最大潜在套用价值是分子水平上的。正向遗传学（forward genetics）着眼于通过个体的表现型研究基因组成，是一种“由表及里”的逻辑顺序；反向遗传学（reverse genetics）着眼于通过敲除基因来研究表现型的变化，是一种“由内到外”的逻辑顺序。haESCs对于大规模构建隐性突变群体有非常大的优势，因此可以用来进行正反向遗传学研究。Elling等、Leeb等、Yang等和Li等设计了多种使haESCs基因功能缺失的方案，建立了巨大的突变信息库。例如Yang等採用最常见的基因打靶的方式敲除与Wnt信号通路相关基因，以证明haECs在反向遗传学中的作用。

在正向遗传学上，利用发现的表现型选择相应的个体并进行克隆，然后可以发现相应的目的基因；在反向遗传学上，可以通过基因敲除或者化学诱变等方式进行基因层面的改造，通过表现型的改变研究基因的功能和作用。

haESCs还可以在细胞水平上有非常重要的作用。这一套用类似于人工授精，可以将基因修饰过的haESC直接注射进入卵母细胞或者囊胚，直接产生含有相关基因的个体或嵌合个体，可以极大地提高修饰效率。意即，通过haESCs还可以实现非常高效地获得转基因生物。Li等将携带基因修饰的haESC与未激活的卵母细胞融合，获得了具有繁殖能力的转基因小鼠。遗憾的是，F1代小鼠出生后不久即死亡，一方面说明了父源印记对于个体存活的意义，另一方面也在一定程度上说明利用该项技术获得转基因个体的可能性。

目前，在haESCs的研究过程中，已经完成了haESCs lines的建立。但是在套用过程中仍然有非常多的问题存在。

首先是haESCs自发的二倍化的过程。不论是PG-haESCs还是AG-haESCs，所有的实验都报导传代一定数目后，大多数单倍体细胞会转变为二倍体细胞。其中的机制尚未明了；一旦能够解开其中的机理，对于单倍性的稳定维持是非常有意义的。

其次是父源印记对于子代存活的影响。传代过程中一些父源印记会丢失，影响子代的生育能力和存活能力。然而父源印记维持机理至今不明确，一旦能明确父源印记的维持方式，可以非常显着地提高转基因个体存活率，提高转基因成功率。

总之，在haESCs方面的研究已经取得了一定的进展，但还有很多的工作要做来揭开未解的谜团；这些工作的进行将极大地推动单倍体细胞在遗传学研究中的套用。