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动物所等建立一种新型活化态多能干细胞

2021-02-23 动物研究所
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  哺乳动物早期胚胎发育是一个动态且复杂的过程,胚胎着床后在子宫内的发育进一步增加了研究难度。自20世纪80年代第一株小鼠的胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells, ESCs)建立以来,包括人类胚胎干细胞在内的多种类型的干细胞相继建立,这为研究哺乳动物早期胚胎发育及干细胞临床应用提供了可能。此后的研究表明,在2i与Lif条件下培养的小鼠ESCs处于原始(naive)态,该状态的ESCs需脱离原始态后,才能应答谱系分化的诱导信号;小鼠的上胚层干细胞(Epiblast Stem Cells, EpiSCs)则处于始发(primed)态,其命运已被部分决定。已有研究表明,哺乳动物胚胎着床后到原肠运动(gastrulation)之前的上胚层细胞,可直接响应三胚层细胞和原始生殖细胞分化的诱导信号,具有多能性。近期,有科学家提出“哺乳动物体内具有多潜能特性的上胚层细胞可能介于原始态和始发态之间的中间状态,即活化/塑型/形成(formative)态,该状态的建立是原肠运动和早期细胞谱系形成的关键”的假说。活化态多能干细胞的特性及其体外长期维持对哺乳动物早期胚胎发育研究及干细胞临床应用具有重要意义,是相关领域亟需解决的重大科学问题。

  2月19日,AG8国际大厅登录动物研究所研究员李磊实验室与清华大学教授颉伟实验室在Cell Research上,在线发表题为Formative pluripotent stem cells show features of epiblast cells poised for gastrulation的研究论文。研究人员通过三维(3D)培养模拟体内胚胎发育环境,配合Activin和Fgf信号通路的激活,分化初始态胚胎干细胞,建立了小鼠类上胚层结构(Epiblastoids);通过抑制Wnt信号通路,实现了这种类上胚层结构的长期培养。长期培养的类上胚层结构具有科学家推测的活化态特征,因此,其被命名为活化态多能干细胞(Formative pluripotent stem cells,fPSCs)。fPSCs在形态上类似于着床后的上胚层细胞,形成具有极性的花环样结构,还可从小鼠iPSCs和E5.5-6.5上胚层细胞建立而来(图1a),并且可在不添加ROCK抑制剂的情况下进行单细胞传代。在转录组水平上,fPSCs与小鼠原肠运动起始前的上胚层细胞相似(E5.5-6.5),高表达formative标志基因,而naive和primed基因处于相对较低的表达水平上。在单细胞转录组水平上,fPSCs细胞群体相对比较均质。在表观组上,fPSCs与小鼠原肠运动即将起始前(E6.5)的上胚层细胞相似,富含超级共价修饰基因(super-bivalency gene),特别在一些重要功能基因的启动子区域的表观修饰。在分化潜能上,fPSCs在体外可快速高效地分化成三胚层前体细胞,同时能够有效分化形成原始生殖细胞;fPSCs单细胞注射到小鼠囊胚腔内后,可掺入内细胞团,并持续存在在卵柱期胚胎中,畸胎瘤实验表明fPSCs可有效形成三胚层细胞(图1b-d)。总之,该研究报道了一种具有原肠运动即将起始前的上胚层细胞特性的活化态多能干细胞。

  近期,多个实验室先后报道了多个具有formative特征的细胞系,包括RSCs (Rosette-like Stem Cells)、XPSCs (Χiμαιρα Pluripotent Stem Cells)和FS细胞(Formative Stem cells),其中,RSCs和XPSCs更接近围植入期上胚层细胞,FS细胞和fPSCs更接近原肠运动前的上胚层细胞,而fPSCs在表观组上最接近原肠运动即将起始前的上胚层细胞(图1e)。深入研究这些细胞的异同和分化特性,有利于推动学界对哺乳动物早期胚胎发育的理解,并且促进多能干细胞的临床应用。

  动物所王晓晓和余洋、重庆医科大学向云龙为论文的共同第一作者,李磊和颉伟为论文的共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划和国家基金委等的支持。

   

fPSC derivation from in vivo epiblasts and differentiation in vivo

打印 责任编辑:张芳丹

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