Nature：突破！清華大團(tuán)隊(duì)使多能干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為全能干細(xì)胞
在小鼠中，只有來自 2 細(xì)胞胚胎的受精卵和卵裂球才是真正的全能干細(xì)胞 (TotiSCs)，它們能夠在胚胎和胚胎外組織中產(chǎn)生所有分化的細(xì)胞并形成一個(gè)完整的有機(jī)體。然而，在沒有生殖細(xì)胞的情況下，是否以及如何在體外建立代表生命開始的 TotiSCs 仍然具有挑戰(zhàn)性。
2022年6月21日，清華大學(xué)丁勝、劉康及馬天驊共同通訊在Nature 在線發(fā)表題為“Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail”的研究論文，該研究展示了通過三種小分子 TTNPB、1-Azakenpaulllone 和 WS6 的組合對(duì)小鼠多能干細(xì)胞 (PSCs) 的 TotiSCs 的誘導(dǎo)和長(zhǎng)期維持。該研究將這些細(xì)胞稱為 ciTotiSCs（化學(xué)誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞），在轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組和代謝組水平上類似于小鼠全能 2C 胚胎期細(xì)胞。
此外，ciTotiSCs 表現(xiàn)出雙向發(fā)育潛力，能夠在體外和畸胎瘤中產(chǎn)生胚胎和胚胎外細(xì)胞。此外，在注射到 8 細(xì)胞胚胎中后，ciTotiSCs 對(duì)胚胎和胚胎外譜系都有高效的貢獻(xiàn)?？傊撗芯坑糜?TotiSCs 誘導(dǎo)和維持的化學(xué)方法提供了一個(gè)明確的體外系統(tǒng)來操縱和理解全能狀態(tài)，從而從非生殖細(xì)胞中創(chuàng)造生命。
在哺乳動(dòng)物中，內(nèi)在全能性是細(xì)胞在胚胎和胚胎外組織中產(chǎn)生所有分化細(xì)胞并形成有機(jī)體的能力。 在小鼠中，只有合子及其直接后代2 細(xì)胞期卵裂球是全能的。 隨著胚胎的進(jìn)一步發(fā)育，TotiSCs 不可逆地分化為兩個(gè)不同的譜系，滋養(yǎng)外胚層 (TE) 將產(chǎn)生胚胎外胎盤，內(nèi)細(xì)胞團(tuán) (ICM) 將產(chǎn)生多能外胚層 (EPI) 和原始內(nèi)胚層（PrE）。 到目前為止，體外的 TotiSCs 只能通過體外受精或使用生殖細(xì)胞的 SCNT 瞬時(shí)產(chǎn)生。 因此，從非生殖系體外誘導(dǎo)和維持真實(shí)的 TotiSC 代表了創(chuàng)造和理解生命的意義。
最近的研究報(bào)告了對(duì)小鼠 PSC 中某些 2 細(xì)胞階段基因表達(dá)的細(xì)胞的觀察，特別是在存在特定小分子、細(xì)胞因子或轉(zhuǎn)基因的情況下。 2012 年，麥克法蘭等人發(fā)現(xiàn) mESC 和 miPSC 培養(yǎng)物中約 0.1-1% 的細(xì)胞表達(dá) MERV-L 和其他一些 2C 特異性基因（稱為 2C 樣細(xì)胞/2CLCs），并具有 2C 卵裂球的部分發(fā)育潛力。隨后的研究確定了決定 2C 樣狀態(tài)的幾個(gè)關(guān)鍵因素，例如 DUX，并揭示調(diào)節(jié)這些因素的表達(dá)能夠誘導(dǎo)更多的 2CLC。
篩選能夠誘導(dǎo)和維持小鼠全能干細(xì)胞的化合物（圖源自Nature ）
此外，小鼠擴(kuò)增的潛在干細(xì)胞 (mEPSCs) 是另一種報(bào)道的具有胚胎和胚胎外譜系發(fā)育潛力的 PSC。然而，mEPSCs 在體內(nèi)對(duì)胚胎外組織的貢獻(xiàn)受到最近一項(xiàng)具有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的研究的挑戰(zhàn)。值得注意的是，2CLCs 和 mEPSCs 的轉(zhuǎn)錄譜實(shí)際上更類似于 mESCs 和植入后胚胎，而不是受精卵或 2C 期全能胚胎，因此解釋了它們有限的實(shí)際發(fā)育潛力而不是全能細(xì)胞。
迄今為止，從非胚系體外誘導(dǎo)、捕獲和長(zhǎng)期維持真實(shí)的 TotiSCs 仍然是不可能的。 在這項(xiàng)工作中，確定了三種小分子的組合，它們能夠從 mPSC 中誘導(dǎo)和維持真正的 TotiSC，在轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組、代謝組和胚胎和胚胎外譜系的發(fā)育潛力方面與小鼠全能 2C 期胚胎非常相似。
清華大學(xué)藥學(xué)院丁勝教授、劉康助理研究員、馬天驊副研究員為該論文共同通訊作者，丁勝課題組胡妍妍、楊媛媛、譚彭丞為該論文的共同第一作者。清華大學(xué)藥學(xué)院張玉霞、韓孟夏、王丹、李寅青、余嘉偉、賈澤然、張?chǎng)巍⒑鷿善?、姚珂、龐歡歡在不同實(shí)驗(yàn)中給予了重要幫助。本課題研究得到了清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、藥學(xué)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞影像中心的技術(shù)支持。該研究得到了科技部“干細(xì)胞及轉(zhuǎn)化研究”重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、清華-北大生命聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
