专家点评 Science Bulletin | 帅领团队揭示“全能性”新基因，高效赋予干细胞全能性表型

胚胎干细胞（ESCs）因其自我更新和多分化潜力等特征在发育生物学和再生医学领域研究中有突出优势。然而，传统的小鼠ESCs虽然有多能性，却无法分化为胎盘、卵黄囊等胚外组织，这极大限制了干细胞技术在模拟完整早期胚胎发育等研究中的应用 。近年来，科学家们一直致力于诱导干细胞获得“全能性”，使其像早期胚胎一样具备分化到所有组织类型的能力，但是该类干细胞要么很难长期维持潜能，要么并不具备全能性的若干表型。

近期，南开大学帅领教授和高倩博士领衔的研究团队在这一领域取得进展，发现了一个核心基因Hmgn3，通过在小鼠ESCs中过表达（OE）该基因即可获得稳定持久的全能性表型。这些Hgmn3-OE的ESCs不仅可以在体内外实验中轻易地分化为胚内和胚外谱系多种组织，还可高效地自组织形成形态和发育潜能良好的囊胚样的“人工胚胎”（Blastoids）。这一发现不仅为理解早期生命发育调控提供了全新视角，也为再生医学和干细胞工程研究的方向拓展开辟了新的道路。该研究以Hmgn3is critical to induce totipotency in mouse embryonic stem cells为题，发表在Science Bulletin。

本项研究通过一系列严谨的实验，证实了Hmgn3是激活干细胞全能性的“钥匙”：Hmgn3-OE可赋予ESCs更强的分化可塑性。研究团队通过基因工程手段，在野生型mESCs（WT-ESCs）中过表达（Overexpression, OE）Hmgn3基因。他们惊奇地发现，这些Hmgn3-OE ESCs获得了向胚外谱系分化的能力包括滋养层干细胞样（TSC-like）和胚外内胚层样（XEN-like）的细胞，而WT-ESCs则不具备此能力。为了验证Hmgn3-OE ESCs在体内的发育潜力，研究人员将其注射到早期胚胎中构建嵌合体。结果显示，在胚胎发育到15.5天时，Hmgn3-OE ESCs不仅能稳定地贡献于胎儿本身，还能显著地贡献于胎盘和卵黄囊等胚外组织 。相比之下，WT-ESCs只能贡献于胎儿部分。这是干细胞具有全能性的黄金标准。更令人振奋的是，Hmgn3-OE ESCs能够在体外高效地（成功率约70%）自组织形成结构和细胞组成都类似于WT囊胚的“人工胚胎”（Blastoids）。这些Blastoids包含了类外胚层（Epi）、类滋养层（TE）和类原始内胚层（PrE）三种关键的细胞谱系，与WT囊胚高度相似。而普通ESCs则完全无法形成这种结构 。该模型为研究早期胚胎发育提供了一个便捷、高效的体外平台。为探究其背后的分子机制，团队发现Hmgn3蛋白能够直接结合并激活在早期胚胎发育中起主导作用的Dux基因家族。当他们在Hmgn3-OE ESCs中敲除Dux后，这些细胞的体内全能性（对胎盘和卵黄囊的贡献能力）和体外形成Blastoid的能力均被严重削弱。这表明Hmgn3正是通过互作Dux来“唤醒”沉睡的ESCs，使其回归“全能”状态。

该研究揭示了Hmgn3是诱导小鼠ESCs获得全能性表型的关键调控因子。与以往依赖复杂化学小分子混合物的策略不同，该研究提供了一种通过单个基因调控即可稳定、高效地获得全能性干细胞的新策略。基于Hmgn3过表达技术，研究团队成功建立了高质量的“人工胚胎”体外模型，这为深入探索哺乳动物早期胚胎发育、细胞命运决定以及相关的发育疾病提供了强有力的工具。这项突破性成果不仅是发育生物学领域的重大发现，也为未来干细胞治疗和再生医学的应用研究带来了新的策略。

图1: Hmgn3过表达赋予小鼠胚胎干细胞全能性潜力示意图

南开大学王晴博士、赵乙丁博士、博士研究生李晓彦、耿孟洋和天津市一中心医院妇产科刘艳主任医师为本文的共同第一作者。南开大学帅领教授、高倩博士、张雅敏教授和张文豪副教授为本文的共同通讯作者。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927325010473

专家点评1

傅旭东（浙江大学医学院百人计划，研究员）

全能性（totipotency）是胚胎发育最早期细胞具备的发育潜能，指代细胞能够产生包括胚胎与胚外组织在内的所有细胞类型的分化能力。深入理解全能性建立的分子基础，不仅有助于揭示生命早期发育原理，也为胚胎模型构建与再生医学提供理论支撑。尽管近年来通过小分子干预或转录因子调控成功诱导出具有全能样特征的干细胞，但全能性获得的核心调控因子及其作用机制仍未被完全阐明。

南开大学帅领教授团队在早期发育与干细胞命运研究领域持续取得突破。继前期发现HMGN3与RIF1参与滋养层谱系调控之后（Cell Reports, 2022），该团队在最新发表于Science Bulletin的研究中，进一步揭示了HMGN3是哺乳动物全能性获得的关键调控因子，系统展示了其在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中诱导全能样状态的机制路径。

研究团队首先通过piggyBac载体实现Hmgn3的过表达，发现HMGN3-OE mESCs可自发形成滋养层干细胞（TSC）及内胚外层干细胞（XEN）样克隆，显示其细胞可塑性显著增强。嵌合实验进一步证实，HMGN3-OE mESCs不仅能贡献于胚胎组织，还能高效参与胎盘与卵黄囊发育，揭示其具备典型的全能性发育潜能。更令人瞩目的是，HMGN3-OE mESCs能够高效自组装形成类囊胚结构（blastoids），且在单细胞转录组水平上呈现出与天然囊胚一致的三胚层谱系构成（Epi、TE、PrE），其结构和发育阶段均高度拟似E4.5–E5.5期胚胎。

机制层面上，研究通过CUT&Tag实验证实HMGN3蛋白可结合并活化多个关键发育基因位点，包括DUX家族成员。进一步的功能验证显示，Dux基因的敲除会显著削弱HMGN3诱导的全能性表型，无论是在嵌合胚贡献还是类囊胚形成中均表现出能力丧失；反之，在野生型ESC中强制表达DUX亦可诱导全能样细胞状态。这一系列证据共同确立了“HMGN3–DUX轴”在全能性诱导中的核心调控作用。作为核小体结合蛋白家族成员，HMGN3通过竞争性替代组蛋白H1、调节染色质可及性，从而重塑表观遗传景观并激活早期胚胎特征基因表达。研究还提示HMGN3可能通过上调Usp17l去泛素化酶家族成员，间接去除H2AK119ub修饰并激活Dux，揭示了染色质修饰与全能性获得之间新的分子桥梁。

值得注意的是，尽管HMGN3诱导的全能性细胞依赖于DUX的作用，但二者在诱导结果上存在显著差异。HMGN3过表达所生成的全能性细胞在转录特征上更接近8–16细胞期胚胎，而非DUX单独诱导形成的2细胞样细胞（2CLCs），后者更类似于2细胞期胎。这一差异表明，HMGN3诱导全能性的分子机制不同于以往通过DUX或其他方法获得的2C样全能性模型。HMGN3可能通过其独特的染色质与转录调控功能，在与DUX协同作用的过程中，构建出一条与传统2C样全能性不同的全能性获得路径，揭示了全能性细胞命运决定网络中存在新的调控层级与机制特征。

该研究不仅首次证明单一因子HMGN3即可在小鼠ESC中高效诱导全能性样状态，还建立了一个兼具分化潜能与可操作性的模型体系，为探索哺乳动物早期胚胎发育提供了强有力的遗传与表观遗传工具。更重要的是，HMGN3–DUX通路的发现为理解细胞命运重编程和发育全能性的内在逻辑提供了新方向，也为未来人工胚胎模型构建及全能性细胞建立开辟了新的方向。

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