【学术前沿】Cell Research | 邓宏魁/徐君/李程合作利用小鼠二细胞胚胎建立具有形成类囊胚能力的新型全能性干细胞

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如何在体外制备全能性干细胞,长期以来一直是干细胞领域的重要科学问题。在小鼠中,只有受精卵及二细胞胚胎具有全能性:单个细胞能够形成一个完整生命个体。随后发育形成的囊胚细胞可以被用于建立多潜能干细胞,滋养层干细胞及原始内胚层干细胞。然而,这些干细胞的发育潜能是受限的,无法同时发育到胚内和胚外组织。近年的研究发现:在小鼠多能干细胞群中存在极少量的表达小鼠二细胞胚胎分子标记MERVL的细胞,被称为二细胞样细胞(2-cell like cells),具有二细胞胚胎的部分分子特征【1】。然而,这种细胞无法在体外进行稳定的培养。此外,最近的研究发现,二细胞样细胞与体内二细胞胚胎仍存在较大差异,作为体外研究全能性的模型仍存在较大局限性【2】。


北京大学邓宏魁团队长期以来致力于采用化学小分子调控的手段来建立调控干细胞的发育潜能的新方法【3-6】。2017年邓宏魁团队报道了一个新的小分子组合(LCDM),可以在人和小鼠中建立扩展型多能干细胞(EPS细胞)【5】。EPS细胞具有胚内胚外发育潜能,并且可以被诱导形成类囊胚(Blastoid)结构【7】。然而,与小鼠二细胞胚胎相比,这种细胞的分子特征与二细胞胚胎还有较大差异,细胞的胚外分化潜能也存在局限性,诱导获得的类囊胚结构中存在较高比例的中间态和中胚层样细胞【8】。最近北京大学杜鹏团队、中山大学王继厂团队等报道了全能性干细胞的诱导条件(Cell | 杜鹏课题组揭示通过抑制剪接体捕获和维持小鼠全能性干细胞;Cell Stem Cell | 王继厂团队利用小鼠二细胞胚胎培育出一种新型全能干细胞系)【9,10】。当前,如何直接自小鼠全能性胚胎建立全能性干细胞,仍是全能性干细胞研究的“金标准”。


2022年5月4日,生命联合中心、北京大学邓宏魁课题组与徐君课题组、李程课题组在Cell Research杂志上发表了题为 Derivation of totipotent-like stem cells with blastocyst-like structure forming potential 的研究论文。该研究通过化学小分子筛选组合,建立了一个新的全能性干细胞培养条件,可以支持从小鼠二细胞胚胎及扩展型多能干细胞(EPS细胞)建立全能性干细胞系。这种新型全能性干细胞可在体外长期稳定培养,在分子特征和发育潜能上与小鼠二细胞胚胎高度相似,并且可以在体外被诱导形成在转录组水平上类似于体内囊胚的类囊胚结构

【学术前沿】Cell Research | 邓宏魁/徐君/李程合作利用小鼠二细胞胚胎建立具有形成类囊胚能力的新型全能性干细胞(图1)

在本研究中,团队通过化学小分子高通量筛选,鉴定了能够在EPS细胞中诱导提高MERVL及Zscan4阳性细胞比例的化学小分子。通过进一步的组合优化,发现了一个可以将EPS细胞诱导为全能性干细胞的小分子组合CD1530,VPA,EPZ004777,CHIR 99021 (CPEC组合),诱导获得的全能性干细胞能长期稳定地在体外培养。更为重要的是,CPEC组合可以在体外支持从小鼠二细胞胚胎直接建立全能性干细胞系。研究者将由CPEC组合支持建立的全能性干细胞命名为全能潜能干细胞(totipotent potential stem cells, TPS细胞)。


研究者进一步从转录组、表观特征、嵌合能力等多个方面深入分析了TPS细胞的分子特征和发育潜能。他们发现TPS细胞在单细胞水平上表达大量的全能性特征基因,并且下调了多能性的分子标记。进一步的单细胞转录组分析发现,TPS细胞群中存在一个在转录组水平与中期二细胞胚胎高度相似的细胞亚群(约10%)。他们定量分析了TPS细胞、杜鹏团队报道的TBLC中的全能干细胞亚群、二细胞样细胞与二细胞胚胎的转录组相似度,发现TPS细胞中的全能干细胞亚群与二细胞胚胎的相似程度是最高的。ATAC-seq和全基因组甲基化分析也表明:TPS细胞具备了二细胞胚胎的表观修饰特征。在发育潜能分析方面,他们通过在不同发育阶段的单细胞嵌合实验证明了:单个TPS细胞具备了同时向胚内和胚外发育的能力。为了严格证明TPS细胞在体内的胚外发育潜能,他们对E17.5的嵌合胎盘进行了单细胞转录组分析,结果表明TPS来源的细胞可以分化形成多种胚外滋养层细胞类型。并且,他们发现tdTomato标记的TPS细胞与有GFP标记的受体胚胎形成的嵌合胎盘中,存在大量的tdTomato单阳性嵌合细胞,高表达滋养层细胞的分子标记,排除了由细胞融合导致的假阳性可能。这些结果表明了TPS细胞具备了与二细胞胚胎相似的分子特征和发育潜能。


自组装形成类囊胚结构的能力是评估细胞全能性最为关键的功能性标准之一。研究者证明了通过调控早期胚胎发育的信号通路,可诱导TPS细胞高效形成类囊胚结构。单细胞转录组分析表明,TPS诱导的类囊胚结构中存在与小鼠E4.5囊胚中类似的上胚层、滋养外胚层、原始内胚层细胞,并且在转录组水平上高度相似。通过转录组数据的定量分析,研究者进一步比较了TPS-类囊胚结构中的滋养层细胞、小鼠滋养层干细胞/多能干细胞组合诱导类囊胚中的滋养层细胞,发现TPS-类囊胚结构中的滋养层细胞更类似于着床前囊胚中的小鼠滋养外胚层细胞。并且,不同于EPS细胞诱导的类囊胚结构,TPS-类囊胚结构中并不存在大量的中间态细胞及中胚层样细胞。将TPS来源的类囊胚结构植入体内后,可以诱导蜕膜化反应,但是仍无法像正常囊胚那样发育成个体,提示诱导类囊胚的方案仍需优化。


最后,研究者分析了CPEC组合在TPS细胞中诱导和调控全能性的分子机制。他们发现抑制HDAC1/2和Dot1L的活性、以及特异激活RARγ通路,对TPS细胞的诱导和维持具有重要作用。有趣的是,当用CPEC组合的小分子联合处理小鼠二细胞胚胎时,他们发现这些小分子处理能在一定程度上帮助维持小鼠胚胎中的全能性分子标记的表达。这些结果表明HDAC1/2、Dot1L、RARγ通路的协同调控对于小鼠全能性调控的重要作用。


综上所述,该研究利用化学调控的方法从小鼠二细胞胚胎中建立了新型的全能性干细胞,该细胞具有与二细胞胚胎相似的分子特征及双向发育潜能,能够形成与体内着床前囊胚更相似的类囊胚结构。这一工作不仅为体外研究全能性提供了更为合适和可靠的模型,而且朝着在不同哺乳动物物种中利用全能性胚胎捕捉、维持全能性干细胞的目标迈出了重要的一步。


邓宏魁教授,徐君研究员和李程研究员是这一研究成果的共同通讯作者。北京大学徐亚星、赵晶薷、任奕璇、王旭阳和吕钰麟为该研究成果的第一作者。




原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41422-022-00668-0


参考文献

1 Macfarlan, T. S. et al. Embryonic stem cell potency fluctuates with endogenous retrovirus activity. Nature 487, 57-63, doi:10.1038/nature11244 (2012).

2 Chen, Z., Xie, Z. & Zhang, Y. DPPA2 and DPPA4 are dispensable for mouse zygotic genome activation and pre-implantation development. Development (Cambridge, England) 148, doi:10.1242/dev.200178 (2021).

3 Fang, R. et al. Generation of naive induced pluripotent stem cells from rhesus monkey fibroblasts. Cell stem cell 15, 488-497, doi:10.1016/j.stem.2014.09.004 (2014).

4 Yang, Y. et al. Derivation of Pluripotent Stem Cells with In Vivo Embryonic and Extraembryonic Potency. Cell 169, 243-257.e225, doi:10.1016/j.cell.2017.02.005 (2017).

5 Qu, M. et al. Establishment of intestinal organoid cultures modeling injury-associated epithelial regeneration. Cell research 31, 259-271, doi:10.1038/s41422-020-00453-x (2021).

6 Liu, B. et al. Chemically defined and xeno-free culture condition for human extended pluripotent stem cells. Nature communications 12, 3017, doi:10.1038/s41467-021-23320-8 (2021).

7 Li, R. et al. Generation of Blastocyst-like Structures from Mouse Embryonic and Adult Cell Cultures. Cell 179, 687-702.e618, doi:10.1016/j.cell.2019.09.029 (2019).

8 Posfai, E. et al. Evaluating totipotency using criteria of increasing stringency. Nature cell biology 23, 49-60, doi:10.1038/s41556-020-00609-2 (2021).

9 Shen, H. et al. Mouse totipotent stem cells captured and maintained through spliceosomal repression. Cell 184, 2843-2859.e2820, doi:10.1016/j.cell.2021.04.020 (2021).

10 Yang, M. et al. Chemical-induced chromatin remodeling reprograms mouse ESCs to totipotent-like stem cells. Cell stem cell 29, 400-418.e413, doi:10.1016/j.stem.2022.01.010 (2022).


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