科学家重新编程胚胎干细胞以扩大其潜在的细胞命运

加州大学伯克利分校的研究人员发现了一种重新编程小鼠胚胎干细胞的方法，使它们具有类似于受精卵或受精卵的发育特征。这些“全能型”干细胞不仅能够产生发育中胚胎中的所有细胞类型，还能够产生促进胚胎和母体之间营养交换的细胞类型。目前，加州大学伯克利分校研究人员创造的新干细胞系将帮助科学家了解早期胚胎中的第一个分子决定。然而，最终，这些见解可以拓宽干细胞产生的组织库，对再生医学和干细胞治疗具有重要意义。

受精卵被认为具有完全的发育潜力，能够产生胚胎妊娠所需的所有细胞类型，包括发育中的胚胎及其胚胎外组织。胎盘哺乳动物的独特特征，胎盘和卵黄囊等胚胎外组织对于胎儿和母亲之间的营养和废物交换至关重要。

相比之下，大多数胚胎和诱导多能干细胞的发育潜力受到更多限制，能够形成胚胎细胞类型，但不能形成胚胎外胚胎组织。受精卵产生胚胎和胚胎外组织的能力被称为“全能性”，即仅在胚胎发育的早期阶段才能看到的最终干细胞状态。

胚胎发育的研究大大受益于胚胎干细胞的培养系统，最近还诱导了多能干细胞。这些实验系统使科学家能够剖析关键的分子途径，指明胚胎发育过程中的细胞命运决定，“团队负责人林鹤说。 ，加州大学伯克利分校和分子与细胞生物学副教授。“但是由于材料有限和缺乏细胞培养实验系统，在精子和卵子相遇之后形成的受精卵的独特发育潜力非常非常难以研究。”

他的新研究不仅揭示了一种调节“全能型”干细胞状态的新机制，而且还提供了一种强大的细胞培养系统来进一步研究全能性。

她和她的同事在1月12日在“ 科学 ”杂志上刊登印刷品之前在线报道了他们的研究。

微小RNA和干细胞

从三天半的小鼠胚胎或五天半的人类胚胎中收获的胚胎干(ES)细胞被称为多能细胞，因为它们可以成为数千种细胞中的任何一种。细胞类型在体内。他们在过去的几十年里产生了兴奋，因为科学家们可以在实验室里研究它们，以发现控制胚胎和胎儿中特化组织发育的基因开关，还因为它们有可能取代已经分解的身体组织，例如糖尿病患者的胰腺细胞或充血性心力衰竭患者的心肌细胞。这些干细胞还可以让研究人员研究遗传病的早期阶段。

作为从胚胎中收获它们的替代方法，科学家们还可以通过用转录因子混合物处理成熟的体细胞来获得多能干细胞，使其回归，使它们几乎与胚胎干细胞一样灵活。这些人工衍生的干细胞被称为诱导多能干细胞(iPS)。

然而，ES和iPS细胞都不像原始受精卵那样灵活，它可以形成胚胎外组织和胚胎组织。当胚胎干细胞从小鼠或人类胚胎中收获时，细胞已经致力于胚胎或胚胎外胚胎。

微小RNA是小的非编码RNA，不会转化为蛋白质，但对基因表达调控具有深远的影响。他和她的同事们发现，一种名为miR-34a的microRNA似乎可以阻止ES和iPS细胞产生胚胎外组织。当遗传上去除这种microRNA时，ES和iPS细胞都能够扩展其发育决策以产生胚胎细胞类型以及胎盘和卵黄囊。在他们的实验中，约20%的缺乏microRNA的胚胎干细胞表现出扩大的命运潜力。此外，这种效果可以在细胞培养中维持长达一个月。

“令人惊奇的是，只操纵一个microRNA能够极大地扩展胚胎干细胞的细胞命运决定，”他说。“这一发现不仅确定了一种调节全能干细胞的新机制，而且还揭示了非编码RNA在干细胞命运中的重要性。”

此外，在这项研究中，他的研究小组发现了miR-34a与特定类型的小鼠反转录转座子之间的意外联系。反转录转座子长期以来被视为“垃圾DNA”，是构成哺乳动物基因组大部分的古代外源DNA片段。几十年来，生物学家认为这些反转录转座子在正常发育过程中没有任何作用，但他的研究结果表明它们可能与早期胚胎的决策密切相关。

“一个重要的开放性问题是这些反转录转座子是否是发育决策的真正驱动因素，”Todd MacFanlan说，他是本研究的合着者，也是马里兰州贝塞斯达Eunice Kennedy Shriver国家儿童健康与人类发展研究所的研究员。 。

与他的合着者是研究生Yong Jin Choi，博士后研究员Chao-Po Lin和Davide Risso，研究生Sean Chen和本科生Thomas Aquinas Kim，以及加州大学伯克利分校的统计学教授Terence Speed。Stanford Tan的Meng How Tan和Jin Li，南旧金山Thermo Fisher Scientific的Yalei Wu，红木城综合DNA技术的Caifu Chen，德克萨斯大学达拉斯分校的Zhenyu Xuan，华盛顿乔治华盛顿大学的Weiqun Peng，加州大学戴维斯分校的Kent Lloyd和纽约大学医学院的Sang Yong Kim都为这项工作做出了贡献。