Protein & Cell丨徐君/邓宏魁/李程/赵东宇合作利用小鼠扩展多能干细胞构建无需转基因诱导的着床后类胚胎模型

利用早期干细胞构建的类胚胎模型为在体外深入研究胚胎发育及相关疾病研究提供了新的工具。近年来多个团队利用多能干细胞和胚外干细胞构建了不同类型的着床前和着床后的胚胎模型。然而，目前构建与体内胚胎高度相似的小鼠着床后类胚胎模型，通常需要在多能干细胞中过表达胚外谱系因子来制备胚外谱系，这一过程与体内胚外谱系的自然形成存在差异。因此，如何开发无需转基因诱导的单种干细胞类型来源的着床后类胚胎模型，成为类胚胎模型研究领域关注的关键问题之一。

2017年邓宏魁课题组通过化学小分子调控的手段，建立了扩展多能干细胞（Extended pluripotent stem cells, EPS细胞），使多能干细胞具备了胚内和胚外的发育潜能。随后，EPS细胞被国内外多个团队应用于类胚胎模型研究中，为构建单一干细胞来源的胚胎模型提供了新途径。然而，EPS细胞的胚外滋养层谱系发育能力有限，这已被证实是限制EPS细胞形成的类囊胚进一步发育的重要原因。如果能够诱导EPS细胞形成更接近体内的胚外滋养层谱系，将为构建无需转基因的类胚胎模型带来新的可能。

近日，北京大学徐君/邓宏魁/李程/赵东宇课题组合作，在Protein Cell上发表了题为“Trophectoderm-like cells from EPS cells enable generating EPS cell-derived post-implantation embryoids that complete gastrulation”的研究论文。该研究建立了将小鼠EPS细胞诱导为滋养外胚层样细胞的方法，并以此为基础构建了无需转基因诱导的着床后类胚胎模型。

研究团队以滋养外胚层的核心调控因子CDX2激活状态及增殖能力为筛选指标，通过组合测试靶向WNT、TGFβ、HIPPO、FGF等胚胎发育关键通路的小分子和细胞因子，成功建立了快速高效诱导小鼠EPS细胞形成滋养外胚层样细胞的两步诱导策略。通过免疫荧光染色、Bulk-RNA测序、胚胎嵌合实验等多种手段，团队证明了诱导获得的滋养外胚层样细胞在基因表达和转录组水平上与自然胚胎滋养层细胞高度相似，可在体内分化为多种滋养层细胞亚群。

在此基础上，研究团队将EPS细胞诱导的滋养外胚层样细胞与EPS细胞诱导的上胚层/原始内胚层双谱系结构共培养，成功构建了小鼠着床后类胚胎结构。结合形态学观察和免疫荧光染色等手段，团队证明这些类胚胎结构能够发育至原肠胚阶段，并重现小鼠着床后胚胎的关键发育事件，包括前羊膜腔形成、前后轴建立、原肠运动、原始生殖细胞出现以及胚外组织的分化等。单细胞转录组分析表明，培养至第6天的类胚胎结构呈现出与胚胎期7.5天胚胎相似的转录组特征，并涵盖了该阶段自然胚胎中的主要细胞类型。

综上，本研究证实了通过增强EPS细胞向滋养外胚层的诱导能力，可以建立无需外源转基因诱导的单种干细胞来源的着床后类胚胎模型。这一模型为研究着床后胚胎发育中的细胞命运决定、组织互作及信号调控提供了新的工具。