Cell Discovery丨AI预测干细胞命运关键因子实现高潜能小鼠人工胚胎构建

近年来，人工胚胎研究发展迅速， 其 在发育生物学与再生医学领域 的意义和前景日益展现 。其中，类囊胚（ blastoids ）作为 模拟着床前胚胎的结构 ，是实现 “ 人工胚胎体内发育 ” 的关键模型。然而，现有类囊胚的构建 普遍 依赖外源因子（如 FGF4 、 BMP4 、 CHIR99021 等）的添加，且 大多 存在原始内胚层（ PrE ）谱系分化不全、发育潜能受限等问题， 发育阶段 往往停滞在原肠运动之前。

近日，中国科学院动物研究所李鑫研究员、李伟研究员、王红梅研究员及冯桂海研究员团队 合作 在 Cell Discovery 上发表 了 题为

High-efficiency generation of blastoids with gastrulation potential through Gata4-induced PrE specification in mESCs

为获得更接近 自然胚胎 状态的原始内胚层（ PrE ）样细胞，研究团队借助迁移学习模型 CellPolaris 进行预测，并结合已有 文献报道 ， 确定 Gata4 为诱导 PrE 分化的关键转录因子。利用构建好的 iGata4-ESCs 与 ESCs 、 TSCs 共培养，团队首先成功 构建了 ETX-embryoids ， 模拟了着床后胚胎的发育，验证了该系统在调控谱系分化上的有效性。

那么，如何引导这三 种 细胞 自组装形 成类囊胚，而非 ETX-embryoids 呢？研究团队推测， 调控 Gata4 诱导表达的时间窗口 或许能改变细胞间的自组织行为，从而导向囊胚样结构。为此，他们设定了不同的 iGata4 诱导时间方案。结果发现，若在培养的第 2 天启动 Gata4 表达并于第 3 天结束，三类细胞可成功形成类囊胚；且随着诱导时间的延长，形成效率逐步上升。当从第 0 天持续诱导至第 3 天时， iX-blastoids 的生成效率最高可达 80.9% 。

这些 iX-blastoids 在形态、细胞数量等方面均与自然囊胚高度相似。为进一步解析其细胞组成，研究团队进行了单细胞转录组测序 （ scRNA-seq ） ，结果也证实其细胞类型构成与自然囊胚极为接近。 值得注意的是，与以往的类囊胚模型相比， iX-blastoids 不仅在三谱系（ EPI ：上胚层 ， TE ：滋养外胚层 ， PrE ：原始内胚层 ）的 细胞比例上更接近自然囊胚 ，各谱系细胞的 转录组特征 也与自然胚胎中对应细胞的高度相似。这表明 iX-blastoids 在 细胞组成和 细胞 状态 上实现了更接近 自然囊胚 的仿生构建，能够更准确地模拟自然早期胚胎的发育基础。

在该体系中， iGata4-ESCs 、 TSCs 和 ESCs 分别通过荧光标记（ iGata4-ESCs ： mScarlet ， TSCs ： GFP ， ESCs ： 无荧光）进行区分，结合单细胞测序中谱系特异性标志物的表达，可清晰追溯每 种 细胞的命运归宿 。分析结果 显示，绝大多数 ESCs 、 TSCs 和 iGata4-ESCs 分别定向分化为 EPI 、 TE 和 PrE 谱系，表明这一新体系能更精准地调控细胞命运，为实现更高仿生度的人工胚胎模型提供了新思路。

为进一步测试 iX-blastoids 的发育潜能，研究团队将其在体外继续培养。将培养基更换为添加 FGF2 与 Activin A 的 PTM 培养基后， iX-blastoids 逐渐转变为 玫瑰花环样结构 ，标志着胚胎发育已进入着床后阶段。继续培养可见该结构进一步拉长、扩展，并在第 6 天形成类似 E6.5 胚胎的 “ 卵圆柱 ” 状结构 。免疫荧光染色显示，第 6 天的 iX-embryoids 中， SOX2 阳性的上胚层细胞呈现极化排列， SOX17 标记的原始内胚层清晰可辨， CDX2 则标记出外胎盘锥区域，整体形态与自然 E6.5 胚胎高度相似。

研究进一步将培养 延长 至第 7 天，此时结构体积显著增大，并出现 T/Brachyury 阳性的 原条细胞 —— 这是原肠运动的标志。为全面解析其细胞组成，团队对第 7 天的 iX-embryoids 进行了 scRNA-seq 。结果显示，其细胞类型已高度接近 E7.5 自然胚胎 ，不仅涵盖外、中、内三胚层，还出现了 血细胞前体 细胞 ，证明 iX-embryoids 在体外成功模拟了原肠运动阶段的关键事件。

最后，团队将 iX-blastoids 移植到代孕小鼠子宫内，检验其体内发育能力。结果显示， iX-blastoids 能够 有效诱导蜕膜化反应 ，子宫切片中也观察到残留的胚胎结构，证实其具备在子宫内着床并启动发育的能力。然而，这些胚胎结构均表现出 明显 结构 异常 ，提示其体内发育潜能仍 受限 ，需 要 进一步优化。

总体而言，该研究首次在无需外源因子的条件下，利用ESC、TSC与iGata4-ESC三种细胞的自组织作用，成功构建出新型类囊胚iX-blastoids，构建效率达65.4±15.4%。其谱系分化完全由内源性 基因 程序驱动，且能在体外培养条件下发育至 原肠运动阶段 ，显示出优于现有模型的发育潜能。尽管体内发育仍不完整， iX-blastoids 体系为类囊胚构建提供了 新 思路 与新策略 ，未来有望在胚胎发育机制研究、疾病模型构建及药物筛选等领域发挥重要价值。

中国科学院动物研究所 博士研究生郭富、贺超凡，博士后徐艳红，博士研究生武欢欢，硕士研究生李道明，博士研究生姜舒阳 为该论文的共同第一作者 ， 李鑫研究员、李伟研究员、王红梅研究员、冯桂海研究员 为 该论文 的 共同通讯作者。

https://www.nature.com/articles/s41421-025-00849-2

制版人： 十一

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