专家点评 Adv Sci丨帅领团队开发干细胞全能性激活培养基，为早期胚胎发育与再生医学研究开辟新路径

使干细胞获得稳定输出的胚内和胚外分化潜能，一直是发育生物学研究领域的重大挑战。全能性干细胞的捕获和维持，对于早期胚胎发育和再生医学等研究具有巨大的推动作用。

近日，南开大学帅领教授研究团队发现，在小鼠胚胎干细胞（ESCs）中敲除Sorcs3基因可高效诱导干细胞获得稳定的全能性表型，这些干细胞不仅能分化为胚内、胚外所有组织谱系，还能高效自组装成高质量“人造胚胎”。进一步研究表明这些全能性的激活与核心转录因子Tfap2c的激活密切相关，也与三大关键信号通路的抑制存在强关联。基于以上发现，该团队开发出一种全新的全能性激活培养基，可以简单快速的赋予ESCs类似于全能性的表型。该研究以Depletion ofSorcs3activates totipotency in mouse embryonic stem cells by modulating key signaling pathways为题，深入揭示了Sorcs3及关键信号通路在全能性调控中所扮演的核心作用。

图1: Sorcs3基因敲除赋予小鼠ESCs全能性潜能的示意图

帅领团队借助单倍体ESCs进行全基因组遗传学筛选，首次锁定Sorcs3作为干细胞全能性的 “限制因子”： 通过CRISPR-Cas9技术构建Sorcs3基因敲除（SKO）的小鼠ESCs细胞系，作者发现这些干细胞获得了向胚外滋养层干细胞样（TSC-like）以及胚外内胚层样（XEN-like）细胞分化的能力。进一步作者通过嵌合体实验来检验SKO-ESCs在体内的发育潜力，嵌合结果及单细胞测序均证明SKO-ESCs很容易贡献到胎儿本身以及胎盘和卵黄囊等胚外组织。他们惊喜的发现在体外3D培养体系中SKO-ESCs可以高效自组装形成结构、细胞组成与转录组特征均高度接近野生型囊胚的 “人工类囊胚（Blastoids）”，而传统ESCs并不具备这种能力。这些类囊胚不仅能在体外培养体系中发育至围着床期发育阶段，还表达着床后谱系特异蛋白（如ELF5），为早期胚胎发育研究提供了高效体外模拟模型。深入机制研究表明，Sorcs3敲除通过激活核心转录因子Tfap2c实现全能性激活，而敲除Tfap2c后，SKO-ESCs的嵌合体贡献能力与类囊胚形成效率均显著削弱；在单细胞转录组进一步抽提Tfap2c阳性细胞进行分析发现，Sorcs3敲除会抑制TGF-β、PI3K-AKT与溶酶体三条关键信号通路。进一步研究表明，向野生型ESCs培养基中添加这三条通路的抑制剂组合（SB-431542+LY294002+Vacuolin-1，简称 SLV），无需基因编辑即可激活全能性表型：SLV处理的干细胞不仅能高效形成类囊胚，还可在嵌合体中高效贡献于胚内、胚外组织，且在长期培养中保持核型稳定、细胞活力正常，全基因组DNA甲基化水平降至32%（接近全能性细胞特征）。

该研究的突破不仅首次揭示了Sorcs3作为干细胞全能性“限制因子”的全新功能，更建立了两种高效、稳定的全能干细胞获取策略——基因层面的Sorcs3敲除与小分子层面的三通路抑制剂组合，前者为解析全能性调控的分子网络提供了理想模型，后者则因操作简便、安全性高，为再生医学领域构建标准化全能干细胞系奠定了基础。同时，研究团队开发的高质量类囊胚模型，解决了早期胚胎材料稀缺的难题，为探究哺乳动物着床前胚胎发育机制、细胞命运决定规律及相关发育疾病研究提供了强有力的工具。这项成果不仅是发育生物学领域的重要创新，更将推动干细胞工程与再生医学向“模拟完整胚胎发育、实现功能性组织再生”的目标迈出关键一步。

南开大学张文豪副教授、毛欣雨博士研究生、重庆医科大学附属儿童医院贺雨副主任医师为本文共同第一作者，南开大学帅领教授、高倩博士与重庆医科大学附属儿童医院新生儿科主任史源教授为本文的共同通讯作者。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202509151

专家点评

刘真（中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心 研究员）

“全能性干细胞”是近年来干细胞和早期胚胎发育领域兴起的重要研究方向，不同于经典的胚胎干细胞和诱导多能干细胞所具有的分化至胚胎不同谱系的“多能性”发育特征，“全能性干细胞”同时还具有分化到胚外的胎盘和卵黄囊谱系的潜能。自从“2CLC”在小鼠胚胎干细胞中被发现以来 （Macfarlan et al., 2012, Nature），如何能够实现哺乳动物“全能性干细胞”的体外高效获得和稳定培养、以及解析其背后的分子和信号通路调控机制成为领域内研究热点。其中，中国科学家在领域内做出了重要的贡献。在先前的研究中，邓宏魁、丁胜、杜鹏、王继厂、Miguel A. Esteban、高绍荣等多个专家团队报道了利用化学小分子组合、抑制剪接体、调控转座元件及染色质等策略实现了全能性干细胞的捕获和培养，一系列研究也表明全能性维持可能具有复杂的多维度调控机制。

单倍体胚胎干细胞是具有单套基因组的多能性干细胞，“单倍体”的特性，使其在高通量遗传筛选中具有独特的优势。南开大学的帅领教授一直致力于单倍体胚胎干细胞的建立及应用。近年来他带领团队利用单倍体干细胞开展全能性调控因子的高通量筛选，并鉴定到多个重要基因。在本项研究工作中，他们报道了敲除SORCS3基因可以快速的将小鼠胚胎干细胞转换为具有类似全能性状态的干细胞。作者利用体内胚胎注射嵌合体胚胎、嵌合体小鼠、以及体外诱导分化等系列实验证明了敲除SORCS3的胚胎干细胞具有分化为胎盘和卵黄囊谱系的能力。进一步作者利用获得的“全能性干细胞”构建了具有部分着床后发育潜能的小鼠类囊胚结构。有意思的是，作者发现SORCS3敲除的干细胞在整体的转录组层面类似于着床前4细胞阶段，而且部分细胞同时表现出TE marker基因TFAP2C的明显上调。这跟几个月前高绍荣/刘文强老师团队报道的双能性干细胞“BPSC”异曲同工。最后作者发现SORCS3 敲除细胞中具有明显的TGF-β, PI3K-AKT和 lysosome信号通路的下调，而利用小分子抑制上述信号通路可以同样实现类似全能性状态的捕获，为理解小鼠“全能性干细胞”的调控机制提供了重要见解。

南开大学帅领教授团队利用擅长的单倍体遗传筛选手段，利用基因-信号通路-小分子的研究思路，为解析全能性干细胞调控机制提供了重要切入点。未来该研究思路同样可拓展至人类多能性干细胞的调控机制研究，以及不同胚外谱系干细胞的调控机制研究。随着领域内对于“全能性干细胞”研究和理解的逐渐深入，获得真正具有早期胚胎卵裂球发育潜能的干细胞让人充满无限遐想。

专家点评1

魏育蕾（中国农业大学生物学院 教授）

体外建立全能性干细胞是发育生物学领域的重大科学问题，对于揭示早期胚胎发育的调控规律、重建胚胎模型体系以及发展再生医学技术具有重要意义。近期，南开大学帅领教授团队发现，胞内受体调控因子Sorcs3是限制小鼠胚胎干细胞（mESCs）获得全能性的关键抑制因子。团队通过CRISPR/Cas9敲除Sorcs3（Sorcs3-KO, SKO），成功建立了一种能够在体内外同时分化为胚胎与胚外组织的类全能干细胞模型（Sorcs3-deficient totipotent stem cells），并系统解析了其信号通路与转录网络基础。

该研究发现Sorcs3缺失显著增强了mESC的谱系可塑性。Sorcs3-KO细胞不仅能够在体外条件下分化形成滋养层干细胞样（TSC-like）和胚外内胚层样（XEN-like）细胞群，还可在早期胚胎注射实验中同时贡献于胎儿、胎盘及卵黄囊三大谱系，展示了典型的全能性发育潜能。值得注意的是，这些SKO细胞能够在三维培养体系中高效自组装形成类囊胚结构（blastoids），其转录组特征与天然小鼠E3.5–E4.5胚胎高度一致，表明Sorcs3缺失可稳定诱导ESC进入真正的全能样状态。

在机制层面，Sorcs3通过调控胞内受体转运与信号内吞，维持ESC的多能稳态，而其缺失则解除对关键转录因子Tfap2c的抑制，从而激活胚外谱系相关基因网络。单细胞转录组分析显示，Sorcs3缺失细胞中TGF-β、PI3K-AKT及溶酶体（lysosome）信号通路显著下调。联合抑制上述三条通路（使用小分子药物SB431542、LY294002与Vacuolin-1，即“SLV体系”）即可在野生型mESC中重现Sorcs3缺失所引发的全能性状态。这一结果不仅确认了Sorcs3在信号调控层面的核心作用，也提供了一种完全由小分子组合即可实现的化学重编程体系。

该研究首次明确了Sorcs3在哺乳动物全能性获得中的抑制作用，建立了基于信号调控的可控全能干细胞模型。该工作不仅拓宽了我们对全能性形成机制的理解，也为未来通过精确调控信号网络实现干细胞命运重编程提供了新的思路和实验路径。

专家点评

陈嘉瑜（同济大学生命科学与技术学院 教授）

细胞全能性的调控机制是发育生物学及干细胞生物学的核心问题，从1960年代的爪蟾体细胞核移植，到1997年的克隆羊多莉、2006年的iPS技术，以及近十年来的2CLC和EPS等新发现，国内外的顶尖科学家们都试图解决一个关键问题，即如何在体外重构细胞的全能性（或多能性），从而使得其能产生包括胚胎与胚外组织在内的所有细胞类型，进而获得一个完整的动物。

南开大学帅领教授团队近期的系列工作（Zhang et al., Cell Reports, 2022; Zhang et al., Science Advances; 2023; Zhang et al., Advanced Science 2025; Wang et al., Science Bulletin, 2025）给出了一位中国青年科学家的答案。在刚刚发表在Advanced Science杂志上的研究中，他们创新性的提出了Sorcs3基因是限制小鼠胚胎干细胞（ESCs）全能性的关键因子。研究团队利用系统的体内、体外多维度的实验体系，验证了Sorcs3敲除的ESCs（SKO-ESCs），同时具有分化为滋养层细胞和原始内胚层细胞的能力，并在嵌合体实验这一重要分化体系统中，进一步证明了其具有很强的在体参与胎儿、胎盘和卵黄囊发育的能力。此外，研究团队发现SKO-ESCs能高效自组装形成高质量的类囊胚，其转录组特征与E3.5–E4.5天然囊胚高度相似，并具备进一步发育至类似E6.5胚胎的潜力。在机制方面，研究团队发现TFAP2C是SKO-ESCs获得拓展多能性的关键下游因子，Tfap2c的缺失会显著削弱其发育潜能（在此感谢帅领老师对我们工作的引用）。有意思的是，同时抑制TGF-β、PI3K-AKT和溶酶体通路，研究团队成功拓展了WT-ESCs的发育潜能，使之获得类全能性状态。这项工作不仅将Sorcs3确立为全能性重编程的关键限制基因，还提出了一种通过调控关键信号通路诱导全能性干细胞的新策略。这为研究早期胚胎发育、构建人工胚胎模型提供了可靠且能够高效获取的研究方法。

好了，传统评论和夸奖性的话说完了，让我们再来看看这个工作背后很有意思的两个点。一是，帅领团队有很全面的干细胞研究体系，在细胞培养 (ESCs、TSCs、2CLCs、EPS和PrE)、类胚胎模拟、高通量组学及分析、在体的各种胚胎注射（2C、4C、8C阶段）和嵌合体（囊胚阶段）甚至是小分子化合物筛选方面，非常全面，这为同学们想要展开胚胎干细胞相关研究提供了非常非常重要的平台，相信在他实验室的学生们可以得到非常系统的训练。二是，读完这个文章，你可能会问一个问题，就是Sorcs3这个基因到底怎么来的？这就不得不提帅领团队在单倍体胚胎干细胞领域的系列工作了（Li et al., Nature, 2012; Shuai et al., JMCB, 2015; Wang et al., Development; 2018; Zhang et al, Science Bulletin, 2025），这一独特的干细胞研究体系，为我们提供了极佳的研究范式去探索一些新基因及基因的调控新模式。

科研工作能否发表自然开心，但能在一个全面系统的平台中开心做科研也十分重要，南开大学的帅领团队为想做胚胎干细胞研究的同学们提供了一个很好的舞台。

制版人：十一

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