在哺乳动物的早期胚胎发育过程中，受精卵的全能性逐渐丧失。在胚胎发育最早期的细胞具有发育为包括胚胎和胚外组织如胎盘在内的整个个体的能力，为全能性细胞（totipotency）。随着发育的进行，全能性细胞逐渐转化为多能性细胞（pluripotency），可以分化为整个胚胎的不同细胞类型，却丧失了分化为胚外组织的能力。我们常说的ESC和iPSC就对应于多能性细胞的阶段。

2017年，两个独立的研究团队先后在Cell和Nature报道利用不同的策略分别建立了“extended pluripotent”或“expanded potential”状态的细胞(Yang et al., 2017b) (Yang et al., 2017a)，发现该类EPSC在体内体外条件下均可以参与胚胎组织和胚外组织(包括卵黄囊和胎盘)的发育分化。这两项开创性工作发现了相比于目前常规的多能干细胞具有更广泛发育潜能的细胞类型；但上述工作均是基于小鼠饲养层细胞进行培养，限制了后续的机制探讨和应用研究。

图1. ffEPSC培养体系模式图

在本研究中，作者团队成功将具有多能性的人胚胎干细胞和诱导性多能干细胞转化为了多能性更强的ffEPSC，并在此基础上优化了一种无动物源性的培养方案，可以在体外稳定地培养ffEPSC 100代以上；对所获得的ffEPSC转录组数据分析显示，相比于ESC合子基因组激活基因（ZGA）在ffEPSC中显著上调。

图2. ffEPSCs转化过程（上），ZGA在ffEPSCs中显著上调（下）

随后研究团队将单个绿色荧光蛋白标记的ffEPSC注射到8细胞期小鼠胚胎中使其继续发育，发现在同一囊胚内，绿色荧光蛋白标记的细胞既可以分化为胚内组织有可以分化为胚外组织；进一步地，ffEPSC可以参与三胚层组织和胎盘地分化发育，该实验证明了ffEPSC具备传统人多能干细胞所没有的双向嵌合能力。

图3. 绿色荧光蛋白与内细胞团标记物OCT4或滋养外胚层标记物CDX2/GATA3共染，后续发育可以广泛整合入胚胎和胎盘组织

该团队结合转录组数据分析和表观机制发现，ffEPSC相比于ESC，其糖酵解水平的降低，而H3K27me3升高；由此进一步发现，糖酵解抑制剂2-DG和ATA的处理有利于ffEPSC的稳定维持；H3K27甲基转移酶EZH2的抑制剂GSK 126，而不是H3K27去甲基化酶的抑制剂GSK-J1，可以促进ffEPSC的获得。

图4. 代谢动态及糖酵解抑制剂利于ffEPSC 维持

在本研究中，研究团队优化了无动物源性的人EPSC的转化与维持条件，并详细描述了转化后的ffEPSCs的分子和生物学特征，初步探讨了ffEPSC维持和转化的代谢和表观调控机制。

值得一提的是，北京大学邓宏魁教授团队近期也在Nature Communications上发表论文，报道了一种成分明确、无异源成分的建立人EPSC的方案 (Liu et al., 2021)。这些工作为推动具有早期胚胎性质的人全能/多能性干细胞的研究及其应用奠定了基础，也为开发新一代细胞产品提供了新的原创性方法。

相关论文信息：

DOI: 10.1016/j.stemcr.2021.06.001

参考文献