動物所等建立一種新型活化態多能幹細胞

哺乳動物早期胚胎髮育是一個動態且複雜的過程，胚胎著床後在子宮內的發育進一步增加了研究難度。自20世紀80年代第一株小鼠的胚胎幹細胞（Embryonic Stem Cells, ESCs）建立以來，包括人類胚胎幹細胞在內的多種類型的幹細胞相繼建立，這為研究哺乳動物早期胚胎髮育及幹細胞臨床應用提供了可能。此後的研究表明，在2i與Lif條件下培養的小鼠ESCs處於原始（naive）態，該狀態的ESCs需脫離原始態後，才能應答譜系分化的誘導信號；小鼠的上胚層幹細胞（Epiblast Stem Cells, EpiSCs）則處於始發（primed）態，其命運已被部分決定。已有研究表明，哺乳動物胚胎著床後到原腸運動（gastrulation）之前的上胚層細胞，可直接響應三胚層細胞和原始生殖細胞分化的誘導信號，具有多能性。近期，有科學家提出「哺乳動物體內具有多潛能特性的上胚層細胞可能介於原始態和始發態之間的中間狀態，即活化/塑型/形成（formative）態，該狀態的建立是原腸運動和早期細胞譜系形成的關鍵」的假說。活化態多能幹細胞的特性及其體外長期維持對哺乳動物早期胚胎髮育研究及幹細胞臨床應用具有重要意義，是相關領域亟需解決的重大科學問題。

2月19日，中國科學院動物研究所研究員李磊實驗室與清華大學教授頡偉實驗室在Cell Research上，在線發表題為Formative pluripotent stem cells show features of epiblast cells poised for gastrulation的研究論文。研究人員通過三維（3D）培養模擬體內胚胎髮育環境，配合Activin和Fgf信號通路的激活，分化初始態胚胎幹細胞，建立了小鼠類上胚層結構（Epiblastoids）；通過抑制Wnt信號通路，實現了這種類上胚層結構的長期培養。長期培養的類上胚層結構具有科學家推測的活化態特徵，因此，其被命名為活化態多能幹細胞（Formative pluripotent stem cells，fPSCs）。fPSCs在形態上類似於著床後的上胚層細胞，形成具有極性的花環樣結構，還可從小鼠iPSCs和E5.5-6.5上胚層細胞建立而來（圖1a），並且可在不添加ROCK抑製劑的情況下進行單細胞傳代。在轉錄組水平上，fPSCs與小鼠原腸運動起始前的上胚層細胞相似（E5.5-6.5），高表達formative標誌基因，而naive和primed基因處於相對較低的表達水平上。在單細胞轉錄組水平上，fPSCs細胞群體相對比較均質。在表觀組上，fPSCs與小鼠原腸運動即將起始前（E6.5）的上胚層細胞相似，富含超級共價修飾基因（super-bivalency gene），特別在一些重要功能基因的啟動子區域的表觀修飾。在分化潛能上，fPSCs在體外可快速高效地分化成三胚層前體細胞，同時能夠有效分化形成原始生殖細胞；fPSCs單細胞注射到小鼠囊胚腔內後，可摻入內細胞團，並持續存在在卵柱期胚胎中，畸胎瘤實驗表明fPSCs可有效形成三胚層細胞（圖1b-d）。總之，該研究報道了一種具有原腸運動即將起始前的上胚層細胞特性的活化態多能幹細胞。

近期，多個實驗室先後報道了多個具有formative特徵的細胞系，包括RSCs （Rosette-like Stem Cells）、XPSCs （Χiμαιρα Pluripotent Stem Cells）和FS細胞（Formative Stem cells），其中，RSCs和XPSCs更接近圍植入期上胚層細胞，FS細胞和fPSCs更接近原腸運動前的上胚層細胞，而fPSCs在表觀組上最接近原腸運動即將起始前的上胚層細胞（圖1e）。深入研究這些細胞的異同和分化特性，有利於推動學界對哺乳動物早期胚胎髮育的理解，並且促進多能幹細胞的臨床應用。

動物所王曉曉和余洋、重慶醫科大學向雲龍為論文的共同第一作者，李偉和頡偉為論文的共同通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃和國家基金委等的支持。

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