Nat Comm|鄧宏魁課題組建立人潛能擴(kuò)展多能干細(xì)胞（EPS細(xì)胞）的培養(yǎng)體系
2021年5月21日，生命科學(xué)聯(lián)合中心、生命科學(xué)學(xué)院鄧宏魁研究組在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為“Chemically Defined and Xeno-free Culture Condition for Human Extended Pluripotent Stem Cells”的研究論文，在體外建立了成分明確、無異源成分的人潛能擴(kuò)展多能干細(xì)胞（EPS細(xì)胞）的培養(yǎng)體系，并利用該體系建立了將體細(xì)胞誘導(dǎo)為無異源人EPS細(xì)胞的重編程誘導(dǎo)方法。
如何建立高質(zhì)量的多能干細(xì)胞一直是干細(xì)胞研究的核心問題。EPS細(xì)胞是2017年鄧宏魁研究組建立的一類具有全能性功能特征的多能干細(xì)胞，同時(shí)具有胚內(nèi)和胚外組織的發(fā)育潛能(Yang et al., 2017)。自建立以來，EPS細(xì)胞得到了廣泛的應(yīng)用。鄧宏魁研究組利用EPS細(xì)胞建立了快速制備基因修飾動(dòng)物模型的技術(shù)(Li et al., 2019a)，并利用人EPS細(xì)胞高效制備功能性肝細(xì)胞（EPS-Heps）(Wang et al., 2020)，與傳統(tǒng)人多能干細(xì)胞制備的肝細(xì)胞相比，EPS-Heps在轉(zhuǎn)錄譜上更類似于人原代肝細(xì)胞。該研究結(jié)果突出了EPS細(xì)胞產(chǎn)生功能性細(xì)胞的應(yīng)用潛力，可以為體外制備功能細(xì)胞提供更好的來源。國際其他研究組也在EPS細(xì)胞的研究和應(yīng)用中取得了一系列重要進(jìn)展，利用?EPS細(xì)胞在體外構(gòu)建功能性的早期胚胎結(jié)構(gòu)(Li et al., 2019b; Sozen et al., 2019)；將人EPS細(xì)胞注射到食蟹猴早期囊胚中，制備了人猴嵌合體胚胎，并成功使胚胎存活時(shí)間達(dá)到20天，這是目前猴子胚胎體外培養(yǎng)能達(dá)到的最長時(shí)長(Tan et al., 2021)。這些研究都表明EPS細(xì)胞具有廣泛的應(yīng)用前景和優(yōu)勢。但是，人EPS細(xì)胞的培養(yǎng)依賴于飼養(yǎng)層細(xì)胞，制約了EPS細(xì)胞的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
為了解決這一問題，鄧宏魁研究組通過對飼養(yǎng)層分泌的細(xì)胞因子和胞外基質(zhì)等進(jìn)行研究，建立了成分確定的，無異源的培養(yǎng)體系（xeno-free EPS culture condition，圖1）。無飼養(yǎng)層、無異源體系培養(yǎng)的人EPS細(xì)胞能夠在體外長期穩(wěn)定地培養(yǎng)60代以上，且能維持人EPS細(xì)胞的基本性質(zhì)。轉(zhuǎn)錄組分析表明，無異源人EPS細(xì)胞具有和飼養(yǎng)層細(xì)胞培養(yǎng)的人EPS細(xì)胞相似的整體表達(dá)譜，與EPS特性相關(guān)的早期胚胎富集的基因模塊在無異源培養(yǎng)的人EPS細(xì)胞同樣富集。而且，利用該培養(yǎng)體系與重編程技術(shù)結(jié)合能高效建立人體細(xì)胞來源的無異源成分的人EPS細(xì)胞系，為制備人EPS細(xì)胞提供了新的方法。
圖1：成分確定的、無異源的人EPS細(xì)胞培養(yǎng)體系的建立
鄧宏魁研究組進(jìn)一步系統(tǒng)研究了無異源培養(yǎng)的人EPS細(xì)胞的胚外發(fā)育潛能，將其注射到早期小鼠胚胎后，能夠穩(wěn)定地嵌合到小鼠胚胎期E6.5天的胚內(nèi)和胚外組織。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無異源的人EPS細(xì)胞若培養(yǎng)在滋養(yǎng)層干細(xì)胞培養(yǎng)基中，能夠轉(zhuǎn)化成滋養(yǎng)層干細(xì)胞類似性質(zhì)的細(xì)胞；ATAC-seq測序結(jié)果發(fā)現(xiàn)在無異源的人EPS細(xì)胞中，與胚外發(fā)育相關(guān)的基因位點(diǎn)處于更開放的狀態(tài)（圖2）。這些結(jié)果都證明無異源培養(yǎng)的人EPS細(xì)胞具備胚外組織的發(fā)育潛能。
圖2：xeno-free hEPS細(xì)胞的胚外發(fā)育潛能
該培養(yǎng)體系排除了飼養(yǎng)層細(xì)胞不確定成分的影響，提高了人EPS細(xì)胞培養(yǎng)的穩(wěn)定性，為推動(dòng)人EPS細(xì)胞在分化，疾病模型和發(fā)育生物學(xué)的廣泛應(yīng)用提供了條件。無異源成分的人EPS細(xì)胞培養(yǎng)體系為建立符合臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的人EPS細(xì)胞系奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，未來將進(jìn)一步推進(jìn)EPS技術(shù)向臨床的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鄧宏魁教授、北京大學(xué)干細(xì)胞研究中心徐君研究員和白云教授為該論文的共同通訊作者，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李程研究員為該論文的生物信息學(xué)分析提供了重要支持，劉蓓博士，博士研究生陳詩，徐亞星博士，博士研究生呂鈺麟為該論文的共同第一作者。本工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科委、生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23320-8
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