用化学诱导的全能干细胞模拟小鼠胚胎发育

背景：发育生物学与合成生物学长期面临一个重要挑战——能否只用一种非生殖系来源、但被诱导为接近全能状态的细胞，启动类似受精卵或卵裂球的完整胚胎发育。全能性指细胞能形成胚胎全部组织以及胚外支持结构的能力。本文报道建立了一种体外发育体系，让化学诱导全能样干细胞（ciTotiSCs）仅从单一细胞类型出发，持续发育成小鼠胚胎模型（ciToti-EMs），覆盖着床前桑葚胚、囊胚、原肠形成和原肠形成后阶段，并同时产生胚胎本体与胚外组织。简单地说，这些细胞能在培养环境中自发组装成接近囊胚的结构，再进一步模拟真实胚胎发育。主要发现：ciTotiSCs形成的结构在形态和谱系分离上接近天然囊胚，包括内细胞团与滋养外胚层等关键分区。随后胚胎模型经历原肠形成、胚轴建立、造血发生和早期器官发生，与胚胎第8.5天（E8.5）天然胚胎相似；延长培养后可发育出功能性心脏组织，其收缩和心脏结构接近E10.5天然胚胎。研究还通过明场成像、免疫荧光、单细胞转录组、组织切片和公开数据集比较，分析了卵圆柱样结构、前羊膜腔、原始条纹、神经折叠、体节、原始生殖细胞、红细胞和巨噬细胞等血液谱系、心肌细胞及心血管系统成熟标记，并显示ciToti-EMs与天然胚胎的转录组相似性高于部分以往胚胎模型。意义：ciTotiSCs展示了单一诱导细胞类型自主重现小鼠早期胚胎发育全过程的非凡能力。ciToti-EMs为研究哺乳动物胚胎发育提供强有力体外模型，也为从非生殖系细胞构建多细胞生命体系开辟新路径。相关数据和代码已公开，便于他人验证和扩展。