Nature：清华大学团队首次发现化学诱导全能干细胞的方法-精英荟医生招聘热门资讯

Nature：清华大学团队首次发现化学诱导全能干细胞的方法

发布时间：2022-06-24阅读量：209

从克隆技术到再生医学，如何找到除自然胚胎孕育之外的其他途径来创造或复原生命，一直是生命科学领域追求的一个目标。如何使已分化的体细胞重新获得分化能力，甚至在体外建立代表生命起点的全能干细胞，吸引着许多科学家投入其中。

2006年日本京都大学Shinya Yamanaka在Cell上率先报道了诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）的研究。Shinya Yamanaka等人把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四种转录因子基因引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、分化能力等方面都与胚胎干细胞高度相似。2012年10月8日，John B. Gurdon 与 Shinya Yamanaka 因iPSC技术获得诺贝尔生理学和医学奖。

然而，能够独立形成生命、发育成完整个体的细胞只有全能干细胞一种，如何让多能干细胞再升级，是生命科学领域待突破的新问题。

长期以来，通过非生殖细胞体外诱导、捕获和长期维持TotiSCs（全能干细胞）状态是一个悬而未决的问题。2022年6月21日，清华大学药学院院长丁胜教授团队在Nature上发表题名为Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail文章，该研究确定了一种3个小分子组成的的药物组合，能将小鼠多能干细胞（mPSCs）诱导成TotiSCs并保持稳定。诱导成的TotiSCs在转录组、表观基因组、代谢组和胚胎和胚胎外谱系的发育潜能方面与小鼠全能2细胞阶段胚胎高度相似，意味着诱导的细胞具有全能性。该工作首次实现了从非生殖细胞体外诱导和维持真正的全能干细胞，代表了创造和理解生命的关键，具有从“0”到“1”的突破性意义。

化学筛选：寻找全能性细胞的诱导剂

MERVL-tdTomato报告基因是2细胞阶段胚胎的特异性分子标记。研究者首先从3000多种化合物鉴定出23种化合物，这23种化合物可以使mESCs 中MERVL-tdTomato阳性表达的细胞数量比对照组增加3倍。在此基础上，研究者又进行了药物组合设计和两轮化学筛选，发现有11个组合能够在体外诱导和长期维持MERVL-tdTomato阳性细胞。转录组测序和差异表达基因分析显示，在这11个组合中，TTNPB、1-Azakenpaullone和WS6（简称TAW）组合的诱导的细胞最接近小鼠2细胞阶段胚胎的细胞。该研究团队称这种药物组合为TAW鸡尾酒药物组合。

为了确认TAW诱导的细胞是否真正具有全能性，研究团队运用流式细胞术、免疫荧光染色对多能性基因OCT4和NANOG表达进行分析，结果均证实大多数细胞发生了从多能性向全能性的重新编程。同时，RNA测序分析表明诱导后的mESCs中经典的全能性特异性基因几乎都高表达，而大多数多能性特异性基因则被沉默。GSEA分析发现TAW诱导后的细胞与受精卵和2细胞阶段细胞表达谱显著富集。这些结果均说明，TAW组合能够诱导mESCs转变为全能干细胞，并能够在多代体外维持正常二倍体核型。

诱导和维持小鼠多能干细胞的化合物组合筛选列表

分子特征比较分析：确认全能性

为了确证这一结果，作者拟将TAW诱导的TotiSCs（简称ciTotiSCs）与小鼠全能2细胞阶段胚胎在转录组、表观基因组和代谢组水平上作比较。转录组和单细胞转录组的主成分分析显示ciTotiSCs表现出从mESCs到2细胞阶段胚胎状态的完全转录谱转变。染色质转座酶可及性测分析表明，ciTotiSCs具有全基因组全能性特异染色质可及性，全基因组甲基化分析也揭示了ciTotiSCs与2细胞阶段胚胎的相似性。

除了对转录组和表观基因组的分析外，丁胜团队还对ciTotiSCs的代谢组进行了分析，发现ciTotiSCs和mESCs之间的代谢产物与全能性2细胞阶段胚胎和囊胚之间的代谢产物非常相似。深入分析表明，全能性的ciTotiSCs和2细胞阶段胚胎更倾向于单碳代谢和与还原状态相关的代谢途径，而多能的mESCs和囊胚具有更高水平的嘌呤代谢和线粒体三羧酸循环代谢产物，即更高的氧化状态。

ciTotiSCs在单细胞水平表现出的转录组特征接近全能性2细胞阶段胚胎

体内分化潜能验证：获得全能细胞表型

最后，为了再次证明诱导产生的细胞具有真正的全能性状态，研究小组在体外测试了它们的分化潜能，并将它们注射到小鼠早期胚胎中，以观察ciTotiSCs在体内的分化潜能。

他们发现，这些细胞不仅在培养皿中表现得像真正的全能细胞，而且在体内也能分化成胚胎和胚胎外谱系。全能性细胞具有发育成胎儿及其周围的卵黄囊和胎盘的潜能，而多能性细胞只能发育成胎儿，这正是全能性细胞的典型特征。这些数据表明ciTotiSCs能够高效地在生物体的胚胎和胚外组织中产生所有的分化细胞类型，在功能上类似于全能的卵裂球。