专家点评Cell | 吴军/顾颖合作揭示异种屏障和细胞竞争的新机制|介导|体细胞|免疫性疾病|吴军(湖南省演员)|多能干细胞|异种|顾颖

点评 | 高绍荣（中国科学院院士）、季维智（中国科学院院士）/谭韬（昆明理工大学）、李伟（中国科学院动物研究所）、赖良学（中国科学院广州生物医药与健康研究院）

将人类多能干细胞（hPSCs）引入其他哺乳动物胚胎构建跨物种嵌合体，不仅为研究人类胚胎发育提供了珍贵的体内视窗，更为利用囊胚互补技术在动物体内培育人类器官，应对全球供体短缺危机带来了希望。然而，异种屏障（Xenogeneic barrier）的存在成为构建跨物种嵌合体面临的严峻挑战。无论是常用的实验动物——小鼠，还是更适合器官培育的大动物——猪，人类细胞在其中的嵌合率均处于极低的水平。异种屏障包含多个层面，涉及物种间发育时序差异、细胞间黏附分子不匹配以及剧烈的细胞竞争（Cell competition）。始发态（Primed）人类多能干细胞在与小鼠多能干细胞共培养过程中会发生大量凋亡。近年来，旨在突破异种屏障的策略主要聚焦于改造供体，即对人类细胞进行遗传修饰来抑制其凋亡，如敲除P53或过表达BCL-2。尽管可以提升嵌合率，但赋予人类细胞“抗凋亡”特性在再生医学转化中存在巨大的安全风险。因此，如果能通过改造宿主来提高嵌合率，将是更为理想且安全的策略。

2025年11月24日，美国德克萨斯大学西南医学中心吴军团队与基因组多维解析技术全国重点实验室顾颖团队合作在Cell杂志发表了题为RNAinnate immunity constitutes a barrier for interspecies chimerism的研究论文, 首次发现在人类和小鼠多能干细胞共培养中，跨物种RNA交换可激活小鼠细胞的RNA天然免疫通路，进而介导细胞竞争清除人类细胞。敲除通路关键蛋白（RIG-I/MAVS）能够削弱小鼠细胞的竞争力，在不修饰人类细胞的前提下显著提升其存活率和在小鼠胚胎中的嵌合率。这一发现揭示了异种屏障和细胞竞争的新机制，为再生医学提供了更具安全性的“宿主改造”新范式。

（1）现象发现：小鼠RNA天然免疫通路激活

研究团队首先通过高通量RNA测序比较了小鼠多能干细胞在单独培养与人-鼠共培养条件下的转录组差异，发现共培养条件下显著上调的基因主要富集于先天免疫通路，特别是通过感应RNA启动免疫应答的视黄酸诱导基因I样受体（RIG-I like receptor, RLR）通路。生化实验证实，共培养条件诱导了小鼠细胞中干扰素调节因子3（IRF3）的二聚化，以及线粒体抗病毒信号蛋白MAVS的多聚化，这是RLR通路激活的关键指标。鉴于MAVS是该信号通路的中央枢纽，研究人员对其进行了敲除，发现敲除后共培养的小鼠细胞中IRF3二聚化信号显著减弱，RLR通路相关基因的表达也下调至与单独培养相当的水平，表明免疫应答得到了有效的抑制。

（2）表型验证：敲除MAVS/RIG-I削弱小鼠细胞竞争力

随后，研究团队考察了敲除MAVS的小鼠细胞对人类细胞的影响，发现与野生型小鼠细胞相比，使用Mavs敲除的小鼠细胞进行共培养可显著提高人类细胞的生存率。与此同时， Mavs敲除的小鼠细胞在共培养中自身的生存率和细胞密度有所下降，表明MAVS缺失削弱了小鼠细胞的适应性（Fitness）。敲除RNA受体RIG-I的小鼠细胞展现出与Mavs敲除相似的表型，即自身竞争力下降，进而提升了共培养中人类细胞的生存率。这些发现证明，RLR通路是介导人-鼠细胞竞争的关键调节机制。

（3）机制探究：隧道纳米管介导的跨物种RNA交换

接下来，研究团队利用批量/单细胞RNA测序、RT-qPCR及单分子荧光原位杂交（smFISH）技术，证实了人类和小鼠多能干细胞在共培养过程中确实发生了RNA交换，且这种交换依赖于细胞的直接接触。在使用Transwell的非接触共培养体系中，小鼠细胞内几乎检测不到人源RNA。通过向人类细胞转染Cy5标记的RNA分子，并将其与膜标记mCherry的小鼠细胞共培养，研究人员观察到Cy5信号定位于连接人类和小鼠细胞的隧道纳米管（Tunneling nanotubes, TNTs）样结构中。在共培养体系中加入TNT生成抑制剂L-778123后，小鼠细胞内检测到的人源RNA显著减少，RLR通路不再被激活，人类细胞的生存率得到显著提高。

（4）体内验证：改造宿主提升人类细胞嵌合率

最后，研究团队在小鼠体内验证了阻断RLR通路能否提高人类细胞的嵌合率。研究人员将eGFP标记的人类诱导多能干细胞分别注射至野生型和Mavs敲除的小鼠囊胚中，并将胚胎移植至假孕母鼠体内。在胚胎发育第8.5-10.5天，Mavs敲除组中有24.14%的胚胎可检测到eGFP信号，而野生型组仅为6.06%。通过eGFP和人类线粒体特异抗体的免疫染色以及人类特异基因组序列PCR，证实了人类细胞在Mavs敲除小鼠胚胎中的成功嵌合。对单个胚胎的qPCR定量分析显示，Mavs敲除胚胎中人类细胞的占比显著高于野生型胚胎。使用敲除RIG-I的小鼠胚胎进行嵌合实验，也取得了相似的嵌合率提升效果。

综上所述，这项研究发现了此前未被认识到的RNA免疫通路在介导异种干细胞竞争中的作用。人-鼠细胞共培养导致RLR通路特异性在小鼠细胞中激活，而阻断该通路可以削弱小鼠细胞在与人类细胞竞争中的优势，从而对人类细胞起到一定的“保护”作用。这一发现加深了我们对异种屏障的理解，也对研究跨物种细胞间物质交换和免疫应答提供了广泛启示。

此外，该研究证明了对动物宿主而非供体细胞进行遗传修饰以提高嵌合率的有效性，这对于再生医学领域实现“在动物体内培育人类器官”的长远目标具有重要意义。未来，将阻断RLR通路与其他突破异种屏障的机制相结合，可能是进一步提高人类细胞嵌合率的重要研究方向。

德克萨斯大学西南医学中心的胡莹莹博士、基因组多维解析技术全国重点实验室的孙海汐博士和德克萨斯大学西南医学中心的Masahiro Sakurai博士为论文的共同第一作者，吴军教授与顾颖研究员为论文共同通讯作者。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)01244-9

专家点评

高绍荣（中国科学院院士）

构建人-动物跨物种嵌合体，不仅是解析人类早期胚胎发育“黑匣子”的关键窗口，更承载着在动物体内再生人类器官、以解决全球供体短缺难题的医学愿景。然而，横亘在这一愿景面前的是坚固的异种屏障（Xenogeneic barrier），导致人类供体细胞在动物宿主中的嵌合效率极低，严重制约了该技术的转化应用。

吴军教授团队长期致力于系统性解构异种屏障的分子机理，并在该领域取得了一系列里程碑式的成果。回顾其研究历程，该团队曾于2024年在Cell Stem Cell发表论文【1】，揭示了人和小鼠多能干细胞在细胞黏附分子上的不匹配是导致种间障碍的原因之一，并利用合成生物学手段，在两种细胞表面分别表达纳米抗体与相应的抗原，有效克服了黏附障碍。而在2021年的Nature论文中【2】，团队聚焦于细胞竞争，发现始发态（Primed state）的人类多能干细胞在共培养处于劣势，会被始发态的小鼠干细胞清除。通过敲除人类细胞中的P53/MYD88/P65可抑制细胞竞争，提高人-鼠嵌合胚胎的嵌合率。

在刚刚上线的这篇Cell合作研究论文中，研究团队的视角转向了细胞竞争中的优势方——小鼠细胞。研究发现，小鼠多能干细胞在人-鼠细胞共培养过程中可以通过隧道纳米管（TNTs）介导的接触获得人类细胞的RNA，进而激活细胞内的RNA天然免疫通路。这一发现令人耳目一新：它不仅首次报道了跨物种RNA交换在细胞竞争中的关键作用，也在机制上证明了通过敲除小鼠免疫关键蛋白（MAVS或RIG-I）削弱其竞争力，从而提升人类细胞生存率和嵌合率的可行性。

这项工作不仅揭示了异种屏障的新机制，更具有重要的转化意义。从临床应用和安全性考量，相较于对人类供体细胞进行复杂的基因编辑，对动物宿主进行遗传修饰无疑具有更高的安全性和伦理可接受度。该研究为“在动物宿主体内培育人类器官”这一长远目标提供了一种更为安全、有效的“宿主优化”新思路，值得后续研究开展更广泛深入的探索。

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季维智（中国科学院院士）/谭韬（昆明理工大学）

人多能干细胞（hPSCs）一个巨大的临床运用潜力是通过构建异种嵌合体，以形成可供移植的人类器官。然而，目前人-大动物异种嵌合效率极其低下，成为领域内长期存在的瓶颈，临床应用面临巨大挑战。其主要障碍包括：人细胞与宿主间发育进程不同步；人与宿主细胞粘附分子与信号通路不兼容；不同物种间细胞竞争导致的人细胞的清除；可能的免疫排斥机制造成人类细胞死亡等。既往策略多集中于对hPSCs进行改造，例如赋予其抗凋亡能力，而对宿主胚胎微环境的调控，尤其是先天免疫系统的潜在作用，尚缺乏系统性探索。为了回答这一关键科学问题，吴军和顾颖团队首先将小鼠epiblast干细胞（mEpiSCs）与hPSCs进行共培养发现mEpiSCs接收来自人类细胞的RNA，激活RLR信号通路（RIG-I-MAVS-IRF3）启动天然免疫应答。该应答显著增强了mEpiSCs的竞争优势，导致hPSCs被清除。这一发现将细胞竞争这一发育生物学核心概念与天然免疫识别机制联系起来，首次阐明RNA天然免疫是跨物种嵌合的关键屏障，为理解嵌合障碍提供了全新范式。通过整合转录组测序、单细胞RNA测序及单分子荧光原位杂交等多种技术，研究进一步确证了人类RNA能通过隧道纳米管样结构直接转移至小鼠细胞胞质中。该过程具有接触依赖性、双向性及非选择性特征，并在不同物种组合（如人-猴）及不同多能性状态中普遍存在，表明这是一种保守的细胞间通讯方式，证实了跨物种水平RNA转移的存在及其机制。最后，研究团队展示了通过干预宿主胚胎的免疫应答通路即可增强嵌合能力的创新策略，该方法在安全性与临床转化潜力方面更具优势。本项工作不仅在概念上取得了重要突破，将RNA免疫识别机制引入异种嵌合研究领域，而且在方法论上展现了多学科技术整合的强大效能。本研究开辟了“免疫调控”作为异种嵌合研究的新方向，具有深远的理论意义与广阔的应用前景。

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李伟（中国科学院动物研究所研究员）

利用异种胚胎嵌合技术在动物体内实现人多能干细胞向特定组织器官的定向发育，长期以来被视为再生医学与器官再造领域的潜在突破口，用于缓解全球器官短缺的危机。然而，人多能干细胞在异种嵌合胚胎早期发育阶段就会快速消失，提示异种嵌合存在严重的障碍。从分子层面揭示这些障碍的内在机制，是实现异种嵌合器官再造的重要基础。

在这项研究中，作者们发现了一个全新而关键的屏障——RNA先天免疫系统。该研究发现，在共培养过程中人细胞的RNA会被运输到小鼠细胞中，从而被小鼠细胞内的天然免疫受体如RIG-I或MDA5等识别，进而激活线粒体抗病毒信号蛋白MAVS及下游的干扰素信号通路，清除人干细胞。利用先天免疫缺陷的小鼠胚胎如Mavs基因敲除胚胎作为宿主，人多能干细胞的异种嵌合能力会大幅提升。传统的异种嵌合研究多聚焦于后天免疫系统介导的免疫识别，如主要组织相容性复合体（MHC）不匹配引发的T细胞攻击等。这一研究创新性地发现了RNA先天免疫在物种屏障中的根本作用。这一发现不仅解释了为何在缺乏T、B细胞的情况下，异种细胞仍难以整合；也为优化异种嵌合策略提供了新的思路，即通过抑制特定RNA免疫识别通路来降低宿主RNA先天免疫系统对人干细胞的攻击。

尽管该研究取得了非常创新的发现，但是仅通过抑制RNA先天免疫仍然无法攻克异种嵌合的障碍，提示未来进一步深入研究异种嵌合障碍机制以及多策略联用的必要性。在通往异种嵌合体内器官再生的漫长道路上仍然面临巨大的挑战，理解并跨越每一道“分子屏障”，是领域向前迈进的必由之路。

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赖良学（中国科学院广州生物医药与健康研究院研究员）

应用基于多能干细胞的囊胚补偿技术，理论上可以在器官缺陷动物体内再造人源器官。这一方法长期以来被视为解决供体器官短缺难题的最具前景途径之一。然而，人源供体细胞的嵌合效率不足致使目前仍难以在大动物，特别是猪体内获得可长时程发育并具有完善功能的人源器官。针对这一关键瓶颈，既往研究多聚焦于优化供体细胞自身特性——包括通过过表达抗凋亡基因，抑制凋亡信号通路，乃至敲除抑癌基因等策略以增强干细胞存活和增殖能力，以及借助优化培养体系提升细胞多能性与分化潜能，从而改善嵌合效果。诚然，人源供体细胞在嵌合胚胎中的状态是其能否形成器官的决定性因素，但大量研究证实宿主动物为人源细胞提供的胚胎及体内环境，以及种间细胞存在竞争和信号的交流同样不容忽视。但相对而言，通过对宿主体内环境改造提高嵌合效率的有效策略仍十分有限。

吴军教授长期从事多能干细胞的基础和应用研究，致力于探索异种嵌合中的种间细胞竞争及其潜在机制，目前已在异种嵌合领域取得了多项具有重要意义的突破性成果。在此项研究中，他们首次揭示了人、鼠细胞间存在活跃的跨物种RNA转移现象，并证实种间RNA交流可激活小鼠细胞中视黄酸诱导基因 I (RIG-I) 样受体(RLR)通路介导的先天免疫应答，进而导致人源细胞发生凋亡。更为关键的是，他们发现通过敲除小鼠细胞中天然免疫的关键适配蛋白—线粒体抗病毒信号蛋白(MAVS)，可有效阻断宿主体内RLR通路的激活，从而显著提高人源细胞在小鼠胚胎中的存活率，进而使种间嵌合效率得到大幅提升。

该研究揭示了此前未被认识到的RNA免疫在种间细胞竞争中的关键作用。近期在PNAS发表的另一篇论文中亦指出，RNA的跨物种转移也能够重塑人类干细胞状态，暗示其生物学意义也涉及细胞命运调控的深层机制【3】。同时，作者在研究中提出的MAVS敲除策略可大幅提升人源细胞的嵌合效率，表明针对宿主体内环境的改造也是一种提高人源细胞异种嵌合效率的有效途径，并可避免过度编辑人源宿主细胞导致的潜在问题。总之，该项研究为理解异种嵌合物种间细胞竞争的潜在机制提供了全新的分子视角，值得该领域同行围绕其进行拓展性探索，推动基于异种嵌合技术在猪体内培育可长时程发育、结构和功能更加成熟的人源器官。

参考文献：

1.Ballard, E., Sakurai, M., Yu, L., Liu, L., Oura, S., Huang, J., and Wu, J. (2024). Incompatibility in cell adhesion constitutes a barrier to interspecies chimerism. Cell Stem Cell 31, 1419-1426.e1417. 10.1016/j.stem.2024.07.010.

2.Zheng, C., Hu, Y., Sakurai, M., Pinzon-Arteaga, C.A., Li, J., Wei, Y., Okamura, D., Ravaux, B., Barlow, H.R., Yu, L., et al. (2021). Cell competition constitutes a barrier for interspecies chimerism. Nature 592, 272-276. 10.1038/s41586-021-03273-0.

3.Yoneyama, Y., Zhang, R.R., Maezawa, M., Masaki, H., Kimura, M., Cai, Y., Adam, M., Parameswaran, S., Mizuno, N., Bhadury, J., et al. (2025). Intercellular mRNA transfer alters the human pluripotent stem cell state. Proc Natl Acad Sci U S A 122, e2413351122. 10.1073/pnas.2413351122.

制版人：十一

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（*排名不分先后）