Cell Research | 张满团队首次实现小鼠植入后上胚层细胞化学重编程回归全能状态|gfp|多能性|小家鼠|广州|张满|细胞化学|胚层|转录组

生命起源于一个受精卵，这枚细胞拥有分化为生物体内所有细胞类型的能力——包括胚胎和胚外组织（胎盘、卵黄囊等），科学家将这种能力称为全能性（T otipotency ）。在小鼠体内，仅受精卵及2细胞期（2 - C ell，2C ）胚胎被认为具有完全发育潜能的全能性细胞。理解全能性的建立机制，不仅是发育生物学的核心命题，更对再生医学、辅助生殖及细胞命运重编程研究具有深远意义。

近年来，科学家已能通过化学手段从小鼠胚胎干细胞（ESCs）中高效诱导出类2细胞样细胞（2 C -like cells, 2CLCs）。 2CLCs由于具有和2C胚胎相似的转录组和表观特征，被广泛用于合子基因组激活和全能性建立机制的研究。然而，能否通过体外重编程方式从已经"踏上分化旅程"的细胞中重新获得全能性，始终是一个悬而未决的问题。

2026年4月2 日，广州国家实验室，广州医科大学张满课题组领衔的研究团队，以 Letter 形式在Cell Research杂志上发表了题为 Chemical reprogramming directly resets mouse post - implantation epiblast cells to a totipotent state 的论文，报告了针对这一问题的重要突破：利用一种全新的小分子化合物培养体系（DNALB），研究人员成功地将已退出初始（Naïve）多能性状态、走向分化的活化态（ formative ）小鼠上胚层样细胞（ Epiblast-like cells,EpiLCs）以及体内植入后胚胎（E5.5–E6.0）的上胚层细胞，直接重编程为具有全能性的2CLCs，且该转变过程无需经过多能性中间状态。

利用分化两天的小鼠上胚层样细胞（EpiLCs），研究团队通过小规模化合物筛选，对多种小分子组合进行评估，最终确定了由以下五种成分组成的“DNALB”培养基（D-乳酸钠，NaB (HDAC抑制剂)，A366 (G9a抑制剂)，LIF and BMP4）, 在DNALB培养基中，EpiLCs中MERVL-GFP⁺ 细胞（全能性标志）比例在第2天达到峰值 39.4% ，证明大量细胞被成功转化为2CLCs。有意思的是之前被报道能够高效诱导ESCs向2CLCs转变的小分子化合物AS8351（DOT1L 抑制剂）和 SGC0946（KDM5B抑制剂）并不能实现EpiLCs向2CLCs的有效转变。进一步的，利用荧光报告细胞系（ MERVL:: mCherry; Esrrb::GFP-PEST, MCEG ），研究人员分选出已关闭多能性基因 Esrrb 表达的EpiLCs（Esrrb-GFP⁻ 细胞）。结果表明：这些“分化确定”（differentiation-committed）的细胞同样能被DNALB高效诱导为2CLCs（转化效率约为 27.9%）。诱导后，全能性相关基因（ Dux 、 Zscan4c 、 Pol 等）显著上调。这一发现表明 DNALB介导的体外全能性的诱导不依赖于初始多能性网络的保留。

通过比较EpiLCs和ESCs向2CLCs的转变过程，研究人员发现相较于ESCs， EpiLCs细胞经历一个更为快速直接的重编程过程。在DNALB培养条件下，仅仅8小时就有3.46%的EpiLC细胞转变成MERVL-GFP⁺ 细胞，而同一时间ESCs中仅有0.87%的MERVL-GFP⁺ 细胞。在 24小时EpiLCs中的2CLCs比例已经达到28.1%，而同期ESCs仅为3.2%。有意思的是，诱导18小时后，EpiLCs中全能性的基因已显著上调，而多能性基因（ Nanog , Klf4 , Esrrb , and Nr5a2 ）却没有明显变化，提示EpiLCs向2CLCs转变的过程并不需要经历多能性中间态。利用单细胞RNA测序（scRNA-seq），研究人员对EpiLCs和ESCs在重编程过程中的转录组动态进行了系统解析，显示EpiLCs和ESCs经过两条截然不同的重编程轨迹，且EpiLCs向2CLCs转变过程的伪时间轨迹分析显示多能性基因 Esrrb 、 Klf4 、 Nr5a2 全程未见上调。这意味着，从分化细胞到全能细胞，存在一条完全独立于多能性网络的直接通路 ——这是对细胞命运转化机制认知的重要更新。

更令人振奋的是，研究人员直接对小鼠体内的植入后（E5.5–E6.0）上胚层细胞进行重编程。通过手术剥离掉胚外组织，植入后的上胚层细胞在DNALB培养基中培养2天后， MERVL驱动的EGFP荧光在植入后上胚层组织中清晰出现，单细胞测序显示，19.4%的细胞为MERVL-GFP⁺，其中大部分细胞与胚胎2C期细胞的转录组高度吻合。为在体内验证所诱导2CLCs的全能性潜能，研究人员将上胚层细胞来源的2CLCs 注射入8细胞期胚胎中，开展嵌合体实验。结果发现在囊胚阶段（E4.5），单个红色荧光标记的2CLC细胞同时出现在滋养外胚层（TE）和内细胞团（ICM）位置；在E6.5–E7.0嵌合胚胎中，单个2CLC细胞来源的红色荧光细胞广泛分布于胚胎区和胚外区。在E12.5–E13.0嵌合胚胎中，红色荧光细胞在胎儿、胎盘和卵黄囊中均广泛存在，研究人员通过流式分选出E12.5–E13.0嵌合胚胎中2CLCs来源的红色荧光细胞，通过单细胞转录组分析证实这些细胞表达胎盘、卵黄囊及胚胎三胚层的特异性标志基因。这些实验结果表明通过化学重编程从植入后上胚层细胞中所获得的2CLCs具有真实、完整的全能性发育潜能。

综上所述，本研究开发了全新的DNALB化学小分子培养体系，能够将 “ 分化确定 ” 的EpiLCs和植入后胚胎的上胚层细胞成功重编程为全能性细胞，且无需经过多能性细胞状态，为在不依赖原始态多能性网络的前提下研究全能性的建立机制提供了强有力的研究工具和平台。这些发现为发育生物学和细胞重编程研究开辟了新路径，对早期胚胎发育、合子基因组激活机制及未来再生医学应用均具重要启示意义。

广州国家实验室助理研究员周海、广州国家实验室和中山大学联合培养博士生翟绪昭、中国农业科学院深圳农业基因组研究所博士后周驰凯为本文共同第一作者。广州国家实验室，广州医科大学生命科学学院张满研究员为该论文通讯作者。中山大学、中国农业科学院深圳农业基因组研究所、美国国家环境健康科学研究所、澳门大学等多家单位参与了此项研究。该工作得到了中国农业科学院深圳农业基因组研究所左二伟研究员和广州国家实验室闵明玮研究员等的支持和帮助。

https://www.nature.com/articles/s41422-026-01244-6

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