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2025年10月15日，51直播-51直播网徐君、邓宏魁；北京大学生命科学51直播李程和北京大学药51直播关景洋团队在Nature Cell Biology上发表了题为A continuous totipotent-like cell-based embryo model recapitulates mouse embryogenesis from zygotic genome activation to gastrulation的研究论文。该研究开发出一套新型的小鼠类全能干细胞诱导与维持体系，并基于此通过分阶段诱导的策略，成功构建了可在体外全程模拟小鼠胚胎期1.5天至7.5天（E1.5-E7.5）发育的类胚胎模型。在诱导体系的终点，模型展现出早期器官发生的迹象。

干细胞来源的类胚胎模型为探索哺乳动物早期胚胎发育提供了强有力的体外研究平台。目前，通过多能干细胞等早期干细胞的自组装或共组装，研究者已能在体外建立类似囊胚、原肠胚甚至器官发生期的类胚胎结构。然而，现有模型多聚焦于特定发育阶段的模拟。如何构建在体外连续重现小鼠胚胎从着床前至着床后完整发育轨迹的类胚胎模型，仍然是类胚胎研究亟待突破的关键问题之一。

北京大学邓宏魁团队长期致力于采用化学小分子调控早期干细胞发育潜能的研究。2017年，团队建立了具有胚内与胚外双向分化潜能的潜能拓展多能干细胞（extended pluripotent stem cells, EPS细胞）（Cell, 2017），随后被多个国际团队应用于类胚胎构建的研究中。2022年，团队进一步在小鼠中建立了全能潜能干细胞（totipotent potential stem cells, TPS细胞）(Cell Research, 2022)，该类细胞不仅展现出与小鼠2细胞期全能性胚胎相似的分子特征和双向发育潜能，还可在体外被诱导为类囊胚结构。这些工作揭示了类全能干细胞在构建类胚胎模型方面的巨大应用潜力。然而，小鼠TPS细胞存在增殖缓慢、需持续传代才能进入稳定全能状态等问题。因此，如果能够建立快速诱导具备强增殖能力的类全能干细胞，将为构建覆盖自合子基因组激活（Zygotic genome activation）至着床后发育全过程的类胚胎模型带来新的可能。

为了解决这一问题，研究团队首先针对小鼠TPS细胞全能性网络激活缓慢、增殖能力有限的问题，以小鼠EPS细胞为起点开展化学小分子筛选，最终鉴定出一个新的小分子组合（CD1530，CHIR-99021，PD0325901，Elvitegravir）。该组合可在48小时内高效诱导EPS细胞快速建立全能性网络，并显著提升细胞增殖能力，使其倍增时间接近小鼠早期胚胎的卵裂周期。此外，转录组分析与体内嵌合实验均证实，经该条件诱导的类全能干细胞具备典型的全能性分子特征与双向发育潜能，并可在体外实现长期稳定维持。

基于这一新型诱导的类全能干细胞，团队进一步建立了分阶段诱导类胚胎模型的体系，成功实现了对E1.5至E7.5小鼠胚胎发育关键事件的全程模拟，包括：（1）2细胞期合子基因组激活；（2）4-8细胞期双向谱系关键转录因子Tfap2c和Nr5a2的共表达；（3）16-64细胞期胚内与胚外谱系特化；（4）E4.5囊胚形成；（5）E5.5-E6.5着床后胚胎卵圆柱结构（Eggcylinder）形成及胚胎轴向建立；（6）E7.5原条形成及胚层特化等原肠运动（Gastrulation）过程。通过免疫荧光染色与单细胞转录组测序，研究团队从多个维度验证了该模型在结构与基因表达层面高度重现了自然胚胎的关键发育事件。

进一步分析不同诱导阶段的单细胞转录组数据，研究团队证实该模型在体外能够再现从2细胞期向原肠胚阶段演进的连续发育轨迹。模型还成功模拟了胚内与胚外谱系的分化进程，在类囊胚阶段清晰呈现上胚层、原始内胚层与胚外滋养层的谱系分离，并展示出各谱系在后续发育中的延续性。此外，通过特定信号通路的小分子干扰实验，研究团队发现该模型对发育扰动的响应与自然胚胎高度一致，初步证明其可用于探索早期胚胎发育的调控机制。

值得注意的是，在滚筒培养体系中，部分E7.5样类胚胎结构可进一步发育为形态上类似E8.5胚胎的结构。免疫荧光分析显示，这些E8.5样结构中出现了脑区、心管和尾芽等早期器官发生的典型特征。单细胞转录组分析进一步表明，这些E8.5样结构中涵盖了E8.5自然胚胎中的大多数细胞谱系，且其转录组特征与体内对应谱系高度相似。

综上所述，本研究基于新型类全能干细胞成功构建了可在体外连续重现从合子基因组激活至原肠运动完成的类胚胎模型。该工作不仅建立了小鼠类全能干细胞的高效诱导新方法，也为在体外深入研究小鼠早期胚胎发育提供了全新平台，向利用早期干细胞构建完整生命个体的终极目标更进一步。

博士研究生任奕璇（北京大学）、王旭阳博士（北京大学）、博士研究生刘海茵（北京大学）、徐亚星博士（河北医科大学）、本科生程若琦（北京大学）、博士研究生任胜男（北京大学）为该论文的共同第一作者。北京大学徐君研究员、邓宏魁教授、李程教授、关景洋副研究员为该论文的共同通讯作者。本工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。

原文链接：//www.nature.com/articles/s41556-025-01793-9