编辑丨王多鱼
排版丨水成文
早期胚胎发育是生命科学领域的核心研究方向之一。胚胎从受精卵开始发育，经过基因组激活（zygotic genome activation，ZGA）、快速细胞分裂和谱系分化，最终形成囊胚，为胚胎着床及后续发育奠定基础。在这一过程中，囊胚内三谱系的形成——内细胞团（inner cell mass，ICM）、原始内胚层（primitive endoderm，PrE）和滋养外胚层（trophectoderm，TE）——标志着胚胎命运决定的关键转折点。然而，受限于胚胎样本的稀缺性和实验条件的限制，如何构建精准模拟早期胚胎发育的体外系统，仍是该领域亟待解决的科学难题。
2021 年，北京大学、北大-清华生命科学联合中心杜鹏课题组通过抑制剪接体，首次捕获并稳定培养了小鼠全能性干细胞（mouse totipotent blastomere-like cells，mTBLC）。与经典的多能性干细胞不同，mTBLC 能够重现全能性卵裂球的特征，为构建从单细胞开始的分化和囊胚形成模型提供了理想的“种子细胞”。随后，在 2024 年，杜鹏团队利用相同的策略成功获得了人类全能性干细胞，为进一步探索全能性及其在胚胎发育研究中的应用提供了重要工具。
2025 年 1 月 17 日，杜鹏课题组在Cell Stem Cell期刊发表了题为：Mouse totipotent blastomere-like cells model embryogenesis from zygotic genome activation to post implantation 的研究论文。
在这项研究中，研究团队进一步优化了 mTBLC 的培养条件，并开发了 mTBLC 自发分化和单细胞起始的类囊胚形成系统，mTBLC-类囊胚具有上胚层（EPI）、原始内胚层（PrE）和胚外滋养层（TE）谱系，并能进一步形成着床后阶段的卵圆柱胚样结构，重现了从 ZGA 至囊胚形成的完整发育过程。这一突破为研究全能性、细胞命运决定以及早期胚胎形态发生提供了新的技术平台，也为早期发育的基础与转化研究开辟了新的可能性。
在这项研究工作中，研究团队主要有以下发现：
1、该研究通过优化培养基（2MYCP），显著提高了 mTBLC 的增殖速度和长期自我更新能力，主要通过加入 2-DG、Minocycline、Y-27632、CHIR-99021 和 PlaB 等因子。在此过程中，PlaB 发挥了关键作用，通过抑制剪接驱动了从多能性向全能性的转变，而 Oct4 基因的去除并未影响 mTBLC 在 2MYCP 培养基中的自我更新能力，表明 Oct4 不是维持细胞全能性的必要条件。2MYCP 培养基中，Wnt 信号通路在 mTBLC 中被激活，且 Wnt 信号通路与细胞周期、增殖通路的激活与 mTBLC 的快速自我更新能力密切相关。进一步的实验结果表明，抑制 Wnt 信号通路可显著抑制 mTBLC 的增殖，证明 Wnt 信号对于 2MYCP 培养基中 mTBLC 的快速扩增至关重要，但它并不参与维持 mTBLC 的全能性。
2、mTBLC 具有独特的表观基因组特征，这些特征有助于其全能性维持和快速自我更新。通过 ATAC-seq 和 CUT&Tag 分析，发现 mTBLC 的启动子区域（TSS）H3K27me3 和 H3K9me3 整体水平下降，而 H3K4me3、H3K27ac 和 RNA Pol II 标记整体水平未发生显著变化，其表观特征与早期胚胎的初期胚胎细胞（如2细胞阶段）相似。此外，mTBLC 具有比 PSC 更多的宽的 H3K4me3 域 （broad domain），以及更少的二价修饰基因（bivalent gene），且 MERVL 转座子在 mTBLC 中具有显著的 H3K4me3 标记。Wnt 信号通路的激活进一步增强了与细胞周期和增殖相关基因的 H3K4me3 富集，从而促进了 mTBLC 的快速增殖。
3、该研究进一步评估了 mTBLC 在体内外的分化潜力。在嵌合体实验中，通过单细胞数据，捕获到了 EGFP 标记的 mTBLC 生成的 13 种细胞，其中包括 7 个胚外谱系和 6 个胚内谱系，证明了其在嵌合小鼠中的双向发育潜能。此外，mTBLC 通过类胚体（EB ） 和畸胎瘤实验也都展示出了胚内外双向分化潜能，产生了包括神经、心脏和肾脏等三胚层来源的细胞，也激活了包括经典滋养层标志基因，展示其能够生成胚外滋养层样谱系。总体而言，mTBLC 具有强大的双向发育潜力，能够分化为各种胚内外谱系，成为评估全能干细胞发育潜力的重要工具。
4、该研究利用 mTBLC 建立了一个模拟胚胎着床前发育的体外分化模型，以克服现有体外分化系统的挑战。在基础分化培养基中培养 mTBLC 约 3-4 天后，细胞形态发生显著变化，形成了胚胎干细胞（ESC）、胚外内胚层干细胞（XEN）和滋养层干细胞（TSC）样的克隆。RNA-seq 分析显示，mTBLC 在分化过程中激活了不同发育阶段的基因，经历了从早期初级基因组激活（minor ZGA）到主要基因激活（major ZGA）的转变。免疫组化验证了 mTBLC 能够分化为上胚层（EPI）、胚外滋养层（TE）和原始内胚层（PrE）等谱系。单细胞 RNA 测序揭示，mTBLC 在分化过程中产生了涵盖 2 细胞、4 细胞、8 细胞及囊胚阶段的多种细胞类型，拟时间分析显示 mTBLC 经历了两次命运决定，首次产生 TE 样细胞和 ICM/EPI 样细胞，随后 ICM/EPI 样细胞分化产生了 PrE 样细胞。
研究进一步发现，在自发分化过程中，mTBLC 还产生了 Zscan4+ 和 Zscan4- 两类基因组激活样细胞（ZLC）。拟时间分析表明，只有 Zscan4- ZLC 能够成功分化为 EPI、PrE 和 TE 三大谱系。因此，该研究提出，主要的 ZGA 调控网络可能至少可以分为由 Zscan4 表达标记的两个独立部分。同时，Zscan4 的表达可能并不是进一步干细胞命运决定所必需的。这一观察结果也与人类 TBLC 的自发分化过程一致，在这一过程中，经典的 ZGA 标志基因（如 ZSCAN4/5A、DUXA/B 和 TPRX1 等）完全没有被诱导表达。这些发现不仅进一步证实了 mTBLC 的内在全能性，也为探索哺乳动物胚胎发育过程中的共性机制提供了新视角。
5、研究还发现，在没有任何外源性信号干预的情况下，单个 mTBLC 能够经历扩增、极化和压实过程，最终高效率地形成结构完整的类囊胚（blastoid）。这一类囊胚结构不仅包含内细胞团、原始内胚层和滋养外胚层等胚胎样细胞，且未见异常中间状态的细胞，mTBLC 来源的囊胚在转录组上与体内囊胚更为接近，三个谱系的特定标志物富集。并且类囊胚可以在体外继续培养，发育成类似卵圆柱的后植入阶段结构。也可以将类囊胚移植到假孕小鼠中，其成功植入并形成卵圆柱样着床后胚胎结构。
综上，该研究首次建立了基于 mTBLC 的自发分化和胚胎样结构形成系统，成功模拟了胚胎早期发育的多个关键环节。尤其是在细胞命运决定和全能性研究领域，这一系统为理解早期胚胎发育中的细胞命运转变提供了新的视角。此外，该研究还为胚胎发育模型的应用开辟了新的可能性，未来基于这一系统，科学家们有望深入研究胚胎发育异常的分子机制，探索病理过程，甚至为解决不孕不育等生育医学问题提供全新解决方案。
论文链接：
https://www.cell.com/cell-stem-cell/abstract/S1934-5909(24)00446-6
