胚胎干细胞的起源和同一性

胚胎干细胞的起源和同一性胚胎干细胞在生物研究方面应用广泛，也作为研究哺乳动物早期发育的模型，但是它们精确的起源却是备受争议。传统上认为它们来源于植入前的胚胎，但这暗示着形成胚胎干细胞的细胞可能已经有发育为原始生殖细胞命运倾向的外胚层细胞产生它通过原始生殖细胞形成胚胎干细胞。根据最近的研究发现我们提出胚胎干细胞可以直接来源于早期的外胚层细胞，这些胚胎干细胞可以以不同培养条件形成的两条不同路径出现。多能性是小鼠胚胎内细胞团形成外胚层的首要要求。在合适的培养条件下，内细胞团细胞可以在体外以胚胎干细胞的形式增殖。这些细胞仍然有形成嵌合体的能力，它们可以发育为成体的所有组织，包括生殖细胞系和幼稚多能细胞。•在胎儿的睾丸小管中可以清晰的观察到初期的瘤。随后发现多能性细胞系与胚胎干细胞很难区分，这些胚胎干细胞来源于体外发育的小鼠胚胎的原始生殖细胞经过外胚层的重新编程。•因此在发育过程中获得幼稚多能细胞的机会有两次：第一次在早期的外胚层而第二次在干细胞系。•胚胎生殖细胞与胚胎干细胞的相似之处暗示着胚胎干细胞可能来源于那些已经有发育为原始生殖细胞倾向的外胚层细胞。也有假说称是原始生殖细胞促进胚胎处于植入前和植入后发育的阶段形成外植体。•本文我们依据近来的发现猜想胚胎干细胞可能通过两条途径得到外植体：直接来源于新形成的外胚层，它处于幼稚多能状态；或者培养在进行遗传重编程的特定原始生殖细胞，使它们重获多能性。图1.在一定条件下分离小鼠的ES、EG和PGCs可以得到幼稚多能细胞。A表示体内发育到囊胚后期的外胚层(红色)和受精后8.5天的PGCs(黄色)B代表体外培养到囊胚期获得幼稚多能细胞的途径。红心代表从外胚层获得的途径，黄心代表从EG获得的途径。灰色箭头代表可能存在这种途径。•哺乳动物受精后产生一个发育为完整的胚胎的受精卵和形成胚外世系。受精卵经过几轮卵裂之后产生均等的卵裂球，但在囊胚阶段出现了两个在形态上和分子上存在明显差异的世系。•滋养外胚层的特征是上皮样特性和在其他特定标记中表达转录因子Cdx2，它主要对胎盘发挥作用，然而内细胞团分化为上胚层和下胚层。至少在鼠胚植入阶段时它们是完全不同的,每个都有自己的分子特征。•尤其外胚层表达转录因子Nanog而内胚层表达Gata6和Gata4。Nanog与Gata4协同通过抑制Gata6来阻止原始内胚层分化，增殖的同时保持其未分化状态。外胚层身份获得与雌鼠胚胎失活X染色体的再激活同时发生。•X染色体的再激活也是胚胎干细胞成功形成的标志，可能也算降低染色质在外胚层难以建立幼稚多能状态难度的遗传学事件之一。那些携带基因编码成纤维生长因子（Fgf）/Erk通路元件突变的胚胎，像Grb2（生长因子受体结合蛋白2），缺少内胚层但是有明显正常的外胚层。Fgf/Erk通路的化学抑制剂完全抑制外胚层的发育，随后扩大外胚层（增殖）。•随后植入，啮齿动物的外胚层从球状细胞发育为杯状上皮。这个形态上的变化由转录因子如Nanog和Rex1（锌指蛋白42）表达量减少和上调Fgf5完成。此外雌性胚胎随机一条X染色体的失活发生在交配后5.5天的整个外胚层。随后，生殖细胞系的特化开始于最近的最早表达Fgf5的外胚层。干细胞前体特化是通过信号分子像由胚外外胚层和内源性内胚层分泌骨形态发生蛋白（BMPs）4和8b，•随后被原始生殖细胞表达的标记基因像Stella,Blimp1和Prdm14所标识。随后原始生殖细胞开始增殖，在妊娠中期沿着发育的后肠迁移到生殖嵴部位，这段时间一直表达转录因子Oct4.•虽然一直认为Oct4是多能性的标识，事实上原始生殖细胞在体内是单能的；然而当它们在外植体或转化进畸胎瘤细胞时获得多能性。•源自畸胎瘤的胚胎癌细胞在雄性性腺里的自发出现使人们猜想直接从原始生殖细胞里分离多能干细胞。这由交配后8.5天鼠胚的后面部分在含白血病抑制因子，青灰因子和Fgf4的滋养层细胞培养得出来的结论。这些统称为胚胎生殖细胞系类胚胎干细胞。•从交配后11.5-12.5天外植体的生殖嵴里也可以分离到胚胎生殖细胞，但是处在这个发育阶段的生殖细胞必须要经历印记消除，这个过程使胚胎生殖细胞形成生殖细胞的能力减弱。•于胚胎干细胞可以由外植体的内细胞团产生也可以从小鼠8细胞期的卵裂球分离胚胎干细胞。在从卵裂球分离胚胎干细胞的过程中，细胞分离引起“微型囊胚”环境在即将出现胚胎干细胞的地方形成。在更多加有白血病抑制因子的2i培养基的培养条件时，可以观察到胚胎干细胞的克隆数目的增加。这表示所有外胚层细胞可能短暂的有变成胚胎干细胞的能力，尽管这种潜能的发挥依赖它们分开的时间和所处的培养环境。•在补充白血病抑制因子的培养基里是可以重现滋养层细胞重要的自我更新功能。新的胚胎干细胞培养方案被称为2i（两个抑制剂），它能够抑制Erk信号通路和淀粉合酶激酶（Gsk3）•抑制发育中胚胎Erk信号转导促进终止分化前的活动。只有抑制Gsk3或激活Stat3信号通路，否则培养胚胎干细胞增殖的效率会很低。Gsk3抑制剂可能促进处于2i培养环境的胚胎干细胞的翻译。•在体外可以通过两条选择的路径到达小鼠胚胎干细胞幼稚多能状态的可能性（直接通过早期外胚层或诱导原始生殖细胞来获得），这依赖它所处的培养条件和细胞环境。这反映了哺乳动物胚胎的多能性与生殖细胞系之间的复杂交织。•实验所得的关键信息是与生殖细胞特化相关的基因如fragilis和Blimp1是否在2i培养基里分离胚胎干细胞时是否表达，以前报道是用饲养层和血清分离胚胎干细胞。如果不是，那么从内细胞团到胚胎干细胞的过程则不需经过原始生殖细胞。•然而这些与原始生殖细胞相关的基因在含血清的饲养层分离胚胎干细胞时能被检测到，意味着是一条可以选择的获得幼稚多能性的诱导路径。最近描述在2i培养基上从大鼠胚胎分离胚胎生殖细胞的高效生产也许可以阐明如何实现这个目标。