中大新聞網訊（通訊員王繼廠）全能性是指單個細胞產生完整生物體的能力，因此全能性細胞具有比多能性細胞（如囊胚中的內細胞群）更強大的發育潛能。在小鼠胚胎發育過程中，只有受精卵和二細胞胚胎才是真正的全能性細胞。多能干細胞可以通過內細胞群體外培養、建系而獲得，但是目前尚無法直接利用受精卵或二細胞胚胎建立穩定的全能干細胞系。
小鼠內源性逆轉錄病毒MERVL在二細胞胚胎中特異性地激活，并調控許多二細胞胚胎特異性基因的表達，因此，MERVL被認為是一個可靠的全能性分子標記。2012年，Macfarlan等人利用MERVL這一轉錄特點，在小鼠多能干細胞中鑒定出一類稀有的細胞亞群；該細胞亞群表達MERVL和一些二細胞胚胎特異性基因，故被稱為二細胞胚胎樣細胞（2C-like cell, 2CLC）。2CLC的發現是干細胞和發育生物學領域的一個里程碑，為研究全能性和多能性之間的轉變，提供了一個體外模型。然而，2CLC模型的一個缺陷是它不能長期穩定培養。這引出了一個重要的問題，即2CLC是否為全能性的理想模型？
近日，中山醫學院王繼廠教授課團隊在Cell Stem Cell上發表了題為“Chemical-induced chromatin remodeling reprograms mouse ESCs to totipotent-like stem cells”的論文，報告了一種新型小鼠全能樣干細胞（totipotent-like stem cell, TLSC），初步回答了上述問題。以小鼠二細胞胚胎為“金標準”，通過多組學的比較分析和化合物篩選，研究團隊建立了一個可以支持小鼠全能樣干細胞穩定培養的新體系，并從分子特征、發育潛能及類囊胚形成等多個層面對TLSC的生物學特性進行了詳細分析。
研究團隊首先通過轉錄組和表觀組學的整合分析證實，2CLC與小鼠二細胞胚胎差別明顯，仍然保留著更多的小鼠胚胎干細胞特征，特別是著絲粒周邊異染色質（pericentromeric heterochromatin, PCH）和非典型寬H3K4me3結構域并沒有完全重塑成小鼠二細胞胚胎中的狀態。不完全的染色質重塑抑制了次要合子基因組激活（minor zygotic genome activation）相關基因和母源基因的表達，而這兩類基因在具有全能性的受精卵和二細胞胚胎中是大量表達的。作者隨后進行了小規模的化合物篩選，最終鑒定出DOT1L（H3K79甲基轉移酶）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并部分地重建卵子和二細胞胚胎特有的非典型寬H3K4me3結構域；這兩種抑制劑的聯用可將2CLC“重編程”成為與二細胞胚胎高度相似的狀態。
在上述研究基礎上，研究團隊進一步優化培養體系，從而使小鼠胚胎干細胞迅速轉變成為二細胞胚胎樣的狀態，并且可長期維持。尤為重要的是，這種新型的培養條件也支持直接從小鼠早期胚胎（2-8細胞期）建立TLSC。TLSC不僅表達大量全能性基因，而且其端粒較小鼠胚胎干細胞明顯延長，但是其增殖速度慢于小鼠胚胎干細胞。細胞周期分析顯示，與小鼠二細胞胚胎一樣，TLSC也具有長G2期。
從早期胚胎和胚胎干細胞建立小鼠全能干細胞系的策略以及其鑒定和功能評估
研究團隊接著從分子特征、體內發育潛能和體外囊胚形成等多個層面，對TLSC的特征進行了詳細分析。多組學分析表明，TLSC的分子特征更像小鼠中晚期二細胞胚胎。嵌合體實驗顯示，單個TLSC即可在70%以上的嵌合體中同時向胚胎和胚外組織發育；并且這些嵌合體可以產生完全來自TLSC的小鼠后代，表明TLSC具有種系傳遞能力。通過對嵌合體進行單細胞轉錄組分析，作者發現，單個TLSC不僅可發育成小鼠胎兒中所有可檢測到的細胞類型，而且在胎盤中也有明顯嵌合，并能正常發育形成多種滋養層細胞類型。與小鼠二細胞胚胎的卵裂球一樣，TLSC可在特定的體外培養條件中自行組裝、形成囊胚樣結構，并且該過程較好地模擬了小鼠植入前胚胎發育中的細胞緊密化、極化和譜系分離等關鍵生物學事件。TLSC形成的類囊胚可體外建系成為滋養層干細胞和胚外內胚層干細胞。這些類囊胚移植至假孕小鼠子宮后，可以誘導蛻膜化反應，但是它們無法像囊胚那樣正常發育形成結構完整的個體，這表明由TLSC形成類囊胚的流程還有待進一步優化。
綜上所述，TLSC在分子特征和發育潛能上都與小鼠二細胞胚胎高度相似。TLSC的建立為哺乳動物全能干細胞和早期胚胎發育等研究，提供了一個可靠模型。
中山大學中山醫學院博士畢業生楊明珠為論文第一作者，博士生余漢文、喻秀和梁詩琪為并列第一作者；中山醫學院王繼廠教授和博士后孫傳波博士為論文共同通訊作者。
本研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、廣東省“珠江計劃”創新創業團隊項目和中山大學高校基本科研費等項目的支持。
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(22)00010-8
