全能性指单个细胞产生完整胚胎及胚外附属物的能力，该能力仅限于小鼠受精卵胚胎的4-细胞之前的卵裂球。全能性胚胎后续发育为上胚层（epiblast, EPI）、原始内胚层（primitive endoderm, PrE）和滋养层（trophectoderm, TE）三个谱系，它们是胎儿、卵黄囊和胎盘的前体细胞。在体外建立的干细胞系均不可同时具备分化到三个谱系的潜能。因此，如何拓展干细胞的分化潜能，尤其是如何产生类似全能性的干细胞，是发育生物学领域研究的热点方向。近日，南开大学帅领团队和同济大学张晓鸥团队合作在Advanced Science在线发表题为Capture of totipotency in mouse embryonic stem cells in the absence of Pdzk1的研究论文。该研究发现Pdzk1的敲除可使小鼠胚胎干细胞（ESCs）获得在体外可分化为诱导滋养层干细胞（iTSCs）和诱导胚外内胚层细胞（iXENs）的能力。通过后续的嵌合体实验和胎盘切片实验等发育功能分析，进一步发现Pdzk1在调控小鼠ESCs转变为类全能性干细胞这一过程中的重要作用。除此之外，Pdzk1敲除的小鼠ESCs还可在体外自组装形成囊胚样结构（图1）。RNA-seq和单细胞转录组测序揭示在Pdzk1敲除的ESCs中，一些 “谱系激活因子”（C1qa, C1qb, Fgf5和Cdx2）得到激活, 从而打破了胚内和胚外组织的界限，使其呈现出一种类似全能性的状态。本研究为小鼠类全能性干细胞的研究提供了新的思路和模型。![]()
图1: Pdzk1的敲除可使小鼠ESCs呈现类似全能性状态本项研究中，南开大学帅领团队和同济大学张晓鸥团队合作发现Pdzk1的缺失可使小鼠ESCs的可塑性升高，可在体外分化为iTSCs和iXENs。此外， Pdzk1敲除的ESCs在嵌合体实验中，具有贡献到E12.5胎儿、胎盘和卵黄囊的能力，该细胞进一步可在体外高效自组装形成囊胚样的结构。结合bulk-RNA和单细胞转录组测序结果分析发现，Pdzk1的敲除可激活一些谱系特异性基因，进而使ESCs呈现一种类似全能性的状态。综上，该研究发现Pdzk1的缺失可使小鼠ESCs获得拓展的分化能力，并进一步通过实验结果证明Pdzk1的敲除可诱发小鼠胚胎干细胞呈现类似全能性的状态。该研究为胚胎发生、早期发育缺陷和其他发育问题等提供一个独特的研究策略与平台。南开大学药物化学生物学全国重点实验室的张文豪博士、博士研究生赵乙丁、硕士研究生杨哲、同济大学硕士研究生严晶和郑州大学第一附属医院王海松博士为本文的共同第一作者。南开大学药物化学生物学全国重点实验室的帅领教授、高倩博士、同济大学张晓鸥教授和重庆医科大学附属儿童医院的童超教授为本文的共同通讯作者。体外培养干细胞是基础发育和再生医学的重要研究材料来源。不同时期早期胚胎的卵裂球具有不同程度的发育潜能，其中，小鼠1-2细胞时期胚胎的卵裂球具有全能性，即能够同时发育为胚内和胚外组织。2012年，Macfarlan TS等人首次发现体外培养的小鼠胚胎干细胞系中存在极少数细胞具备早期2细胞卵裂球的发育潜能。因此，能否在体外建立具有全能性的干细胞系是该领域的关键科学问题。近年来，国内多个研究团队相继报道在体外成功建立类似于早期2细胞的全能性干细胞系，包括TBLCs (totipotent blastomere-like cells)，TLSCs (totipotent-like stem cells)，TPSCs (totipotent potential stem cells) 以及 ciTotiSCs (chemically induced totipotent stem cells) 等，为探索早期胚胎发育过程提供了重要的体外研究手段。近日南开大学帅领团队等合作在Advanced Science上发表重要研究成果Capture of totipotency in mouse embryonic stem cells in the absence of Pdzk1。该团队在前期工作中，利用单倍体遗传筛选工具细胞，发现ESCs向TSCs转变过程中的多个调控基因，其中包括Pdzk1 （Zhang et al., Science Advances, 2023）。然而Pdzk1对ESCs发育可塑性的调控功能是未知的。Pdzk1的敲除可诱导ESCs的发育潜能向全能性样细胞转变，通过体内嵌合实验表明Pdzk1-KO细胞可以分化为胚内和胚外组织，通过体外实验表明Pdzk1-KO细胞能够自组装成具有ICM、TE和PrE三谱系细胞的囊胚样结构，且该细胞系可实现在体外长期稳定传代。有趣的是，相比于ESCs，Pdzk1-KO细胞并未高表达一些经典的全能性基因（例如Dux，Zscan4等）。为了进一步解析Pdzk1敲除诱导全能性背后的机制，该团队通过比较不同的体外全能性样干细胞系的基因表达，发现Pdzk1下游的C1qa, C1qb, Fgf5,Cdx2基因可参与激活多能性-全能性转变，并且该过程有可能受到Hippo通路的调控。此项研究使用单倍体ESCs筛选得到调控细胞全能性的关键基因Pdzk1，并通过该基因的敲除获得了一种可在体外长期传代的类全能性干细胞，为早期胚胎发育相关的基础研究建立了新的体外模型，并进一步填补了多能性-全能性转变机制研究的空白。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202408852
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