中大新聞網(wǎng)訊（通訊員王繼廠(chǎng)）全能性是指單個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生完整生物體的能力，因此全能性細(xì)胞具有比多能性細(xì)胞（如囊胚中的內(nèi)細(xì)胞群）更強(qiáng)大的發(fā)育潛能。在小鼠胚胎發(fā)育過(guò)程中，只有受精卵和二細(xì)胞胚胎才是真正的全能性細(xì)胞。多能干細(xì)胞可以通過(guò)內(nèi)細(xì)胞群體外培養(yǎng)、建系而獲得，但是目前尚無(wú)法直接利用受精卵或二細(xì)胞胚胎建立穩(wěn)定的全能干細(xì)胞系。

小鼠內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒MERVL在二細(xì)胞胚胎中特異性地激活，并調(diào)控許多二細(xì)胞胚胎特異性基因的表達(dá)，因此，MERVL被認(rèn)為是一個(gè)可靠的全能性分子標(biāo)記。2012年，Macfarlan等人利用MERVL這一轉(zhuǎn)錄特點(diǎn)，在小鼠多能干細(xì)胞中鑒定出一類(lèi)稀有的細(xì)胞亞群；該細(xì)胞亞群表達(dá)MERVL和一些二細(xì)胞胚胎特異性基因，故被稱(chēng)為二細(xì)胞胚胎樣細(xì)胞（2C-like cell, 2CLC）。2CLC的發(fā)現(xiàn)是干細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，為研究全能性和多能性之間的轉(zhuǎn)變，提供了一個(gè)體外模型。然而，2CLC模型的一個(gè)缺陷是它不能長(zhǎng)期穩(wěn)定培養(yǎng)。這引出了一個(gè)重要的問(wèn)題，即2CLC是否為全能性的理想模型？

近日，中山醫(yī)學(xué)院王繼廠(chǎng)教授課團(tuán)隊(duì)在Cell Stem Cell上發(fā)表了題為“Chemical-induced chromatin remodeling reprograms mouse ESCs to totipotent-like stem cells”的論文，報(bào)告了一種新型小鼠全能樣干細(xì)胞（totipotent-like stem cell, TLSC），初步回答了上述問(wèn)題。以小鼠二細(xì)胞胚胎為“金標(biāo)準(zhǔn)”，通過(guò)多組學(xué)的比較分析和化合物篩選，研究團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)可以支持小鼠全能樣干細(xì)胞穩(wěn)定培養(yǎng)的新體系，并從分子特征、發(fā)育潛能及類(lèi)囊胚形成等多個(gè)層面對(duì)TLSC的生物學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和表觀(guān)組學(xué)的整合分析證實(shí)，2CLC與小鼠二細(xì)胞胚胎差別明顯，仍然保留著更多的小鼠胚胎干細(xì)胞特征，特別是著絲粒周邊異染色質(zhì)（pericentromeric heterochromatin, PCH）和非典型寬H3K4me3結(jié)構(gòu)域并沒(méi)有完全重塑成小鼠二細(xì)胞胚胎中的狀態(tài)。不完全的染色質(zhì)重塑抑制了次要合子基因組激活（minor zygotic genome activation）相關(guān)基因和母源基因的表達(dá)，而這兩類(lèi)基因在具有全能性的受精卵和二細(xì)胞胚胎中是大量表達(dá)的。作者隨后進(jìn)行了小規(guī)模的化合物篩選，最終鑒定出DOT1L（H3K79甲基轉(zhuǎn)移酶）和KDM5B（H3K4去甲基酶）的抑制劑可以分別重塑著絲粒周邊異染色質(zhì)并部分地重建卵子和二細(xì)胞胚胎特有的非典型寬H3K4me3結(jié)構(gòu)域；這兩種抑制劑的聯(lián)用可將2CLC“重編程”成為與二細(xì)胞胚胎高度相似的狀態(tài)。

在上述研究基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化培養(yǎng)體系，從而使小鼠胚胎干細(xì)胞迅速轉(zhuǎn)變成為二細(xì)胞胚胎樣的狀態(tài)，并且可長(zhǎng)期維持。尤為重要的是，這種新型的培養(yǎng)條件也支持直接從小鼠早期胚胎（2-8細(xì)胞期）建立TLSC。TLSC不僅表達(dá)大量全能性基因，而且其端粒較小鼠胚胎干細(xì)胞明顯延長(zhǎng)，但是其增殖速度慢于小鼠胚胎干細(xì)胞。細(xì)胞周期分析顯示，與小鼠二細(xì)胞胚胎一樣，TLSC也具有長(zhǎng)G2期。

從早期胚胎和胚胎干細(xì)胞建立小鼠全能干細(xì)胞系的策略以及其鑒定和功能評(píng)估

研究團(tuán)隊(duì)接著從分子特征、體內(nèi)發(fā)育潛能和體外囊胚形成等多個(gè)層面，對(duì)TLSC的特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。多組學(xué)分析表明，TLSC的分子特征更像小鼠中晚期二細(xì)胞胚胎。嵌合體實(shí)驗(yàn)顯示，單個(gè)TLSC即可在70%以上的嵌合體中同時(shí)向胚胎和胚外組織發(fā)育；并且這些嵌合體可以產(chǎn)生完全來(lái)自TLSC的小鼠后代，表明TLSC具有種系傳遞能力。通過(guò)對(duì)嵌合體進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，作者發(fā)現(xiàn)，單個(gè)TLSC不僅可發(fā)育成小鼠胎兒中所有可檢測(cè)到的細(xì)胞類(lèi)型，而且在胎盤(pán)中也有明顯嵌合，并能正常發(fā)育形成多種滋養(yǎng)層細(xì)胞類(lèi)型。與小鼠二細(xì)胞胚胎的卵裂球一樣，TLSC可在特定的體外培養(yǎng)條件中自行組裝、形成囊胚樣結(jié)構(gòu)，并且該過(guò)程較好地模擬了小鼠植入前胚胎發(fā)育中的細(xì)胞緊密化、極化和譜系分離等關(guān)鍵生物學(xué)事件。TLSC形成的類(lèi)囊胚可體外建系成為滋養(yǎng)層干細(xì)胞和胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞。這些類(lèi)囊胚移植至假孕小鼠子宮后，可以誘導(dǎo)蛻膜化反應(yīng)，但是它們無(wú)法像囊胚那樣正常發(fā)育形成結(jié)構(gòu)完整的個(gè)體，這表明由TLSC形成類(lèi)囊胚的流程還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

綜上所述，TLSC在分子特征和發(fā)育潛能上都與小鼠二細(xì)胞胚胎高度相似。TLSC的建立為哺乳動(dòng)物全能干細(xì)胞和早期胚胎發(fā)育等研究，提供了一個(gè)可靠模型。

中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院博士畢業(yè)生楊明珠為論文第一作者，博士生余漢文、喻秀和梁詩(shī)琪為并列第一作者；中山醫(yī)學(xué)院王繼廠(chǎng)教授和博士后孫傳波博士為論文共同通訊作者。

本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省“珠江計(jì)劃”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目和中山大學(xué)高?；究蒲匈M(fèi)等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(22)00010-8