編輯丨王多魚

排版丨水成文

干細(xì)胞來(lái)源的類胚胎模型為探索哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育提供了強(qiáng)有力的體外研究平臺(tái)。目前，通過(guò)多能干細(xì)胞等早期干細(xì)胞的自組裝或共組裝，研究者已能在體外建立類似囊胚、原腸胚甚至器官發(fā)生期的類胚胎結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有模型多聚焦于特定發(fā)育階段的模擬。如何構(gòu)建在體外連續(xù)重現(xiàn)小鼠胚胎從著床前至著床后完整發(fā)育軌跡的類胚胎模型，仍然是類胚胎研究亟待突破的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

北京大學(xué)鄧宏魁團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于 化學(xué)小分子調(diào)控早期干細(xì)胞發(fā)育潛能的研究。2017 年，團(tuán)隊(duì)建立了具有胚內(nèi)與胚外雙向分化潛能的潛能拓展多能干細(xì)胞（extended pluripotent stem cells，EPS 細(xì)胞），隨后被多個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用于類胚胎構(gòu)建的研究中。2022 年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在小鼠中建立了全能潛能干細(xì)胞（totipotent potential stem cells，TPS 細(xì)胞），該類細(xì)胞不僅展現(xiàn)出與小鼠 2 細(xì)胞期全能性胚胎相似的分子特征和雙向發(fā)育潛能，還可在體外被誘導(dǎo)為類囊胚結(jié)構(gòu)。這些工作揭示了類全能干細(xì)胞在構(gòu)建類胚胎模型方面的巨大應(yīng)用潛力。

然而，小鼠 TPS 細(xì)胞存在增殖緩慢、需持續(xù)傳代才能進(jìn)入穩(wěn)定全能狀態(tài)等問(wèn)題。因此，如果能夠建立快速誘導(dǎo)具備強(qiáng)增殖能力的類全能干細(xì)胞，將為構(gòu)建覆蓋自合子基因組激活（Zygotic genome activation）至著床后發(fā)育全過(guò)程的類胚胎模型帶來(lái)新的可能。

2025 年 10 月 15 日，北京大學(xué)徐君、鄧宏魁、李程和關(guān)景洋團(tuán)隊(duì)在NatureCellBiology期刊發(fā)表了題為：A continuous totipotent-like cell-based embryo model recapitulates mouse embryogenesis from zygotic genome activation to gastrulation 的研究論文。

該研究開(kāi)發(fā)出一套新型的小鼠類全能干細(xì)胞誘導(dǎo)與維持體系，并基于此通過(guò)分階段誘導(dǎo)的策略，成功構(gòu)建了可在體外全程模擬小鼠胚胎期 1.5 天至 7.5 天（E1.5-E7.5）發(fā)育的類胚胎模型。在誘導(dǎo)體系的終點(diǎn)，模型展現(xiàn)出早期器官發(fā)生的跡象。

研究團(tuán)隊(duì)首先針對(duì)小鼠 TPS 細(xì)胞全能性網(wǎng)絡(luò)激活緩慢、增殖能力有限的問(wèn)題，以小鼠 EPS 細(xì)胞為起點(diǎn)開(kāi)展化學(xué)小分子篩選，最終鑒定出一個(gè)新的小分子組合（CD1530、
CHIR-99021、PD0325901、Elvitegravir）。該組合可在 48 小時(shí)內(nèi)高效誘導(dǎo) EPS 細(xì)胞快速建立全能性網(wǎng)絡(luò)，并顯著提升細(xì)胞增殖能力，使其倍增時(shí)間接近小鼠早期胚胎的卵裂周期。此外，轉(zhuǎn)錄組分析與體內(nèi)嵌合實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，經(jīng)該條件誘導(dǎo)的類全能干細(xì)胞具備典型的全能性分子特征與雙向發(fā)育潛能，并可在體外實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定維持。

基于這一新型誘導(dǎo)的類全能干細(xì)胞，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了分階段誘導(dǎo)類胚胎模型的體系，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì) E1.5-E7.5 小鼠胚胎發(fā)育關(guān)鍵事件的全程模擬，包括：1）2 細(xì)胞期合子基因組激活；2）4-8 細(xì)胞期雙向譜系關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子 Tfap2c 和 Nr5a2 的共表達(dá)；3）16-64 細(xì)胞期胚內(nèi)與胚外譜系特化；4）E4.5 囊胚形成；5）E5.5-E6.5 著床后胚胎卵圓柱結(jié)構(gòu)（Egg cylinder）形成及胚胎軸向建立；6）E7.5 原條形成及胚層特化等原腸運(yùn)動(dòng)（Gastrulation）過(guò)程。通過(guò)免疫熒光染色與單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，研究團(tuán)隊(duì)從多個(gè)維度驗(yàn)證了該模型在結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)層面高度重現(xiàn)了自然胚胎的關(guān)鍵發(fā)育事件。

進(jìn)一步分析不同誘導(dǎo)階段的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)該模型在體外能夠再現(xiàn)從 2 細(xì)胞期向原腸胚階段演進(jìn)的連續(xù)發(fā)育軌跡。模型還成功模擬了胚內(nèi)與胚外譜系的分化進(jìn)程，在類囊胚階段清晰呈現(xiàn)上胚層、原始內(nèi)胚層與胚外滋養(yǎng)層的譜系分離，并展示出各譜系在后續(xù)發(fā)育中的延續(xù)性。此外，通過(guò)特定信號(hào)通路的小分子干擾實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)發(fā)育擾動(dòng)的響應(yīng)與自然胚胎高度一致，初步證明其可用于探索早期胚胎發(fā)育的調(diào)控機(jī)制。

值得注意的是，在滾筒培養(yǎng)體系中，部分 E7.5 樣類胚胎結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步發(fā)育為形態(tài)上類似 E8.5 胚胎的結(jié)構(gòu)。免疫熒光分析顯示，這些 E8.5 樣結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了腦區(qū)、心管和尾芽等早期器官發(fā)生的典型特征。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步表明，這些 E8.5 樣結(jié)構(gòu)中涵蓋了 E8.5 自然胚胎中的大多數(shù)細(xì)胞譜系，且其轉(zhuǎn)錄組特征與體內(nèi)對(duì)應(yīng)譜系高度相似。

綜上所述，該研究基于新型類全能干細(xì)胞成功構(gòu)建了可在體外連續(xù)重現(xiàn)從合子基因組激活至原腸運(yùn)動(dòng)完成的類胚胎模型。該工作不僅建立了小鼠類全能干細(xì)胞的高效誘導(dǎo)新方法，也為在體外深入研究小鼠早期胚胎發(fā)育提供了全新平臺(tái)，向利用 早期干細(xì)胞構(gòu)建完整生命個(gè)體的終極目標(biāo)更進(jìn)一步。

北京大學(xué)徐君研究員、鄧宏魁教授、李程教授、關(guān)景洋副研究員為該論文共同通訊作者。博士研究生任奕璇（北京大學(xué)）、王旭陽(yáng)博士（北京大學(xué)）、博士研究生劉海茵（北京大學(xué)）、徐亞星博士（河北醫(yī)科大學(xué)）、本科生程若琦（北京大學(xué)）、博士研究生任勝男（北京大學(xué)）為該論文共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41556-025-01793-9