Cell Stem Cell背靠背 | 一种全新的全能干细胞

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在近二十年的研究中，科学家们发现多能干细胞（Pluripotent Stem Cells, PSCs）可被划分为Nave（原始态）和Primed（始发态）两种状态，分别代表了体内胚胎着床前、后的两种状态。2017年，Austin Smith教授首次提出，介于Nave和Primed之间可能存在着一种新的状态，处于该状态的细胞应和处于早期着床时期的胚胎类似，具备以下特性：既可嵌合到胚胎ICM，并可在体外进行原始生殖细胞（Primordial Germ Cell，PGC）诱导。而该状态被命名为Formative态。但是自从该中间状态被提出以来，科学界还没有一种稳定的细胞系具备Formative的主要特性。

2020年12月2日，由美国西南医学中心(UT Southwestern Medical center)吴军及深圳华大生命科学研究院为主的科学家团队在Cell Stem Cell杂志上联合发表题为“Derivation of Intermediate Pluripotent Stem Cells Amenable to Primordial Germ Cell Specification”的研究文章，首次在多个物种中建立了具有“Formative”特征的稳定干细胞系。

在该文章中，通过同时激活 FGF/Erk， TGF-β/Smad， WNT/β-Catenin三条信号通路，科学家团队首次建立了具有“Formative”特征的稳定细胞系，并且通过实验和多组学数据证实了，该细胞系的确是一种介于Nave和Primed之间的细胞状态，分别并同时具备Nave 和Primed的一些特征，可直接由nave转化而来，并且可以直接过渡到Primed状态而去。最重要的是该细胞系可以高效地嵌合，且可以直接响应BMP4信号的作用，转化为原始生殖细胞。根据其特性，科学家们将这种细胞命名为XPSCs【chimera (Χμαιρα in Greek) and PGC dual-competent pluripotent Stem Cells】。

更重要的是，使用完全相同的诱导培养条件可同时得到其他物种的XPSCs细胞系，该团队已从成体细胞中通过重编程技术得到了人及马的Formative-like诱导多能性干细胞系（iPSCs），并且从马及小鼠的胚胎中，分离出了马和小鼠的Formative-like胚胎干细胞系（ESCs）。其中马的细胞系为世界首次分离诱导的马胚胎干细胞及诱导多能干细胞。并且产生了世界首例马鼠异种嵌合早期胚胎，证明马的XPSCs细胞系具有高效的种间嵌合效率。

据悉，该文章的共同第一作者为于乐谦博士、魏育蕾博士、孙海汐博士，三人共同完成该文章的主要实验部分以及生物信息学部分。于乐谦称：“使用完全相同的培养条件能够获得三种不同物种的干细胞是令人兴奋的，这代表着这种中间状态也许在物种之间更加的保守，意味着也许在不远的将来，我们能够获得干细胞来自于各种不同的物种，这将使我们能够从细胞及分子水平更好的了解物种间进化的差异”。

该文章的通讯作者为西南医学中心分子生物学系助理教授吴军博士。吴军称：“XPSCs为研究哺乳动物多能性以及研究调控原始生殖细胞分化的分子机制开辟了新途径，而且我们的方法可能广泛适用于从其他哺乳动物物种中获得更多类似的干细胞”。

早在2017年吴博士曾发表了世界第一例人猪嵌合体胚胎，该工作旨在动物体内培育出可供移植的人类器官，从而解决移植器官来源严重不足的难题。而当前的工作是在早期研究上的进一步推进。研究出高效的可用于异种嵌合的细胞系，可进一步推进异种嵌合的研究以及应用。

此外，基于XPSCs细胞的可向原始生殖细胞诱导的特点，可用于对濒危物种的保护与繁衍。该团队正在尝试获取濒危物种白犀牛的诱导多能性干细胞，并且进行原始生殖细胞的诱导，以期恢复该物种的在自然界的可持续性。

本研究依托深圳国家基因库完成全部生物信息学数据分析和存储。

另外，在同期Cell Stem Cell上，来自英国剑桥大学的Austin Smith课题组发表了一篇题为Capture of Mouse and Human Stem Cells with Features of Formative Pluripotency的文章，在这项研究中，作者通过在低生长因子刺激的条件下培养小鼠上胚层细胞，衍生出具备处于初始态和始发态之间的形成态（formative）多能性特性的干细胞，且这一方法可同样应用于人类胚胎中类似干细胞的诱导和扩增。

如果在保持自分泌生长和存活信号的同时，将形成态上胚层细胞从谱系诱导性刺激中隔离可能会阻止发育进程，但会维持增殖状态。Nodal，FGF4和FGF5在植入后的早期上胚层细胞中广泛表达，并促进小鼠ESC的谱系获能，因此作为支持形成态多能性的候选基因，给予FGF和Nodal通路的适度刺激可能会维持形成态细胞群。作者通过显微解剖分离E5.5上胚层细胞并在特定条件下培养，发现在没有其他刺激的情况下，将Nodal /activin途径激活与自分泌FGF活性相结合可能会使细胞悬浮在多能性的形成阶段。需要注意的是，与ESC或EpiSC不同，形成态干细胞（以下简称FSC）能够直接对生殖细胞诱导作出反应。因此，给予qRT-PCR验证一系列生殖细胞标志物的表达，作者将衍生细胞指定为FSC。

EpiSC通常不会对囊胚注入嵌合体发挥作用，除非进行基因修饰以增强内细胞团（ICM）整合及存活，而作者通过囊胚注射三种携带报告基因的不同胚胎来源的FS细胞后，发现尽管FSC和原代形成态上胚层细胞可以贡献产生囊胚嵌合体，但其效率低于ESC或ICM细胞。为了进一步证实细胞身份，作者通过RNA-seq对FSC，ESC以及EpiSC进行比较，并确定328个在FSC中上调的基因且主要集中在离子转运和细胞黏附通路。

那么FSC与其他两种阶段细胞相比，就特定生长因子和转录因子的依赖性而言是否存在差异？作者通过评估转录组数据，ATAC-seq和ChIP-seq，以及CRISPR-Cas9技术，证实FGF和Nodal/activin通路对FSC维持的重要性，并鉴定出826个在FSC中特异性富集峰。值得注意的是，FSC的2417个二价启动子中存在特异的Prdm14，而它是编码生殖细胞关键决定因子之一。此外，FSC和EpiSCs也同样显示不同的转录因子依赖性，对于维持FSC状态稳定而言，Otx2而非Etv4/5是必需的，而EpiSCs却恰恰相反。

在研究的最后，作者使用三种人源多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSC）cR-H9EOS，cR-Shef6和HNES以衍生人类形成态干细胞样细胞系，并通过制备RNA-seq文库与hPSC进行全转录组比较。重要的是，作者研究了将小鼠FSC培养条件直接应用于人ICM外植体的过程，胚胎来源的细胞表现出与上述人类形成态干细胞样细胞系相似的形态和生长行为，并且未检测到初始态特异性转录因子KLF4和KLF17的表达，而检测到一些在形成态细胞中表达而在hPSC中下调的基因转录本。

总的来说，这项研究通过从小鼠上胚层细胞衍生出形成态干细胞，并借助全转录组分析，ATAC-seq，ChIP-seq等多种手段分析这类中间态细胞的特征，且将这一应用拓展到人类形成态干细胞的研究当中。这些发现加深了对干细胞研究领域的理解，也或许对疾病模型的创建和干细胞疗法的推动发挥积极作用。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.003

https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.005

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