近日，我校生命科学学院包斯琴教授、李喜和教授与北京大学汤富酬教授团队合作在Science China Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版）发表题为“Blastoids generated purely from embryonic stem cells both in mice and humans”的文章。该工作开发了一种在化学成分明确的培养条件中，使用一步法加单因子（GSK3抑制剂CHIR99021）的培养条件，成功地诱导了小鼠和人类ESCs进行谱系分化，并在体外自我组装形成类囊胚。
从囊胚中可分化出三种类型的干细胞系，即来源于内细胞团 (ICM) 的胚胎干细胞 (ESCs)、来源于滋养外胚层 (TE) 的滋养层干细胞 (TSCs)，以及来源于原始内胚层 (PE) 的胚外内胚层细胞 (XEN)。最近，已有报道称成功建立原始内胚层干细胞 (PrESCs)。2018年，有研究组通过ESCs和TSCs组合形成体外自我组织结构——类囊胚 (Blastoid)。类囊胚在器官移植，临床疾病治疗方面具有广阔的应用前景。为了提高类囊胚形成效率以及与自然囊胚之间的相似性，之前有研究报道，在优化培养液、使用ESCs、TSCs和XEN三种细胞系的组合或结合其他类型干细胞能够在体外将小鼠或人类干细胞分化产生复杂的类囊胚结构。然而，目前还不清楚单独使用ESCs是否能够支持类囊胚的形成。
研究中，利用Oct4-ΔPE-GFP (GOF/GFP) 标记的小鼠胚胎干细胞 (mESCs) 在2i/L (CHIR99021、PD0325901以及LIF) 培养液中培养。发现当mESCs仅用CHIR99021 (CH) 处理时，细胞出现分化的迹象并且GOF/GFP标记的mESCs部分分化为不同类型的扁平细胞亚群，这些分化后的细胞GOF/GFP呈现阴性。
进一步对CH诱导的mESCs进行了10xGenomicsscRNA-seq分析。共测序了9676个细胞，包括1403个外胚层 (EPI) 样细胞，7910个原始内胚层 (PE) 样细胞，以及363个中间状态 (IM) 细胞，与先前发表的mESCs的scRNA-seq数据（2684个细胞）进行比较，结果显示CH处理的细胞具有三种不同的转录状态，分别表达EPI标记Pou5f1, Nanog, Sox2和Klf2，PE标记Gata4, Sox17和Foxa2，TE标记S100a11, Id2, Lgals1和Cdx2。为进一步证实CH的分化能力，进行了免疫荧光染色，结果显示，CH处理的mESCs表达EPI (OCT4和NANOG), PE (SOX17) 和TE (CDX2) 标志性蛋白。这些结果表明，在化学成分明确的培养条件中，mESCs部分分化为构成囊胚所需的三种细胞系。
因此研究人员进一步探究经CH处理的mESCs是否能够自我组装形成类囊胚。为了验证这一假设，他们将CH处理的mESCs接种到低黏附培养板中继续进行3~4天的培养，成功地获得了类囊胚结构，形成效率为26.8%。经过比较分析，发现小鼠类囊胚的细胞总数与E4.5天自然囊胚相似，但类囊胚的平均直径以及ICM细胞数量均低于E4.5天囊胚，同时免疫荧光染色结果还显示，类囊胚表达自然囊胚三个谱系的标志性蛋白。
为了进一步验证类囊胚的体内发育能力，他们将培养第4~5天的类囊胚移植到2.5天的假孕母鼠体内，结果显示类囊胚在假孕母鼠子宫内着床效率分别为5.4% (E6.5) 和3.3% (E7.5)，免疫荧光染色证实这些着床点可以启动植入过程。对类囊胚进scRNA-seq分析，一共测试了11个类囊胚的968个单细胞，结果显示类囊胚的细胞分布在三个独立的簇中，分别表达囊胚所含三个谱系的标记基因。综上所述，这些结果证明了CH诱导的mESC在体外可以自我组装成类囊胚。
接下来，他们利用primed状态的人胚胎干细胞 (hESCs)，研究了CH是否能够诱导hESCs来源的类囊胚形成。他们利用同样的培养条件和方式，获得了人的类囊胚，形成效率为22.04%，经过形态、大小、细胞数量以及三种不同细胞谱系空间组织方面的测定发现与人的自然囊胚相似。综上所述，该研究在只添加了一种因子的化学成分明确的培养液中建立了一种诱导体系，获得了小鼠和人类胚胎干细胞来源的类囊胚。
我校特聘副研究员吴宝江、博士生王艳秋、北京大学博士生闫佳、刘梦雅为文章共同第一作者，我校包斯琴教授、李喜和教授与北京大学汤富酬教授为文章共同通讯作者。
该研究得到了国家自然科学基金（批准号：32060176）、国家重点研发计划项目（批准号：2022YFD1302202/3）、内蒙古自治区高等学校青年科技人才发展项目（批准号：NJYT23091）、内蒙古大学高层次人才引进科研启动金（批准号：10000-21311201/058）、内蒙古自治区自然科学基金（批准号：2021MS03003）、内蒙古自治区重大专项（批准号：2020ZD0007/8）和内蒙古自治区种质资源保护与利用工程技术研究中心项目（批准号：21400-222526）的资助。
值得一提的是，包斯琴、李喜和教授、吴宝江特聘副研究员团队在小鼠胚胎干细胞来源的类胚胎研究和小鼠胚胎干细胞从多能性转变为全能性机制研究方面取得的相关成果分别在2023年1月和8月发表在《CELL PROLIFERATION》（中科院1区TOP）上（全文连接https://doi.org/10.1111/cpr.13534；https://doi.org/10.1111/cpr.13396 ）。
两篇研究成果分别由我校特聘副研究员吴宝江、博士生王艳秋和杨志青为文章共同第一作者。我校吴宝江、包斯琴教授、李喜和教授和西北农林科技大学刘军教授为文章通讯作者。
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1. Wu, B., Wang, Y., Yan, J., Liu, M., Li, X., Tang, F., and Bao, S. (2023). Blastoids generated purely from embryonic stem cells both in mice and humans. Sci China Life Sci 66, https://doi.org/10.1007/s11427-023-2419-9.
2. Wu B, Wang Y, Wei X, Zhang J, Wu J, Cao G, Zhang Y, Liu J, Li X, Bao S. (2023). NELFA and BCL2 induce the 2C-like state in mouse embryonic stem cells in a chemically defined medium. Cell Prolif. 2023 Aug 17:e13534. doi: 10.1111/cpr.13534.
3. Wu B, Yang Z, Liu Y, Li J, Chen C, Li X, Bao S. (2023). A chemically defined system supports two distinct types of stem cell from a single blastocyst and their self-assembly to generate blastoid. Cell Prolif. 2023 Jun;56(6):e13396. doi: 10.1111/cpr.13396.
来源：生命科学学院
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