抑制 PRC2：解锁黑猩猩原始多能干细胞自我更新的关键

为解决建立黑猩猩原始多能干细胞（PSCs）相关问题，英国埃克塞特大学研究人员开展相关研究，发现抑制 PRC2 可使黑猩猩原始 PSCs 自我更新，为研究多能性和早期胚胎发生提供模型。

　　在生命科学的探索旅程中，胚胎发育一直是一个充满神秘色彩的领域。哺乳动物的胚胎由一小群未分化的细胞 —— 原始外胚层（naive epiblast）发育而来，它在受精后几天内于囊胚的内细胞团中形成，作为生殖系和体细胞的源头，本应具有高度保守的细胞特征并掌控基因调控网络。然而，越来越多的研究发现，不同物种间存在着特异性的特征，进化差异或发育漂移的程度也尚未明确。

原始多能干细胞（naive PSCs）作为与胚胎中原始外胚层密切对应的细胞，在小鼠、大鼠和人类中已成功建立细胞系。但这些物种的原始 PSCs 在自我更新需求和胚外谱系潜能等方面存在差异。例如，小鼠和人类的原始 PSCs 在基因表达和发育可塑性上就有明显区别，人类原始 PSCs 具有形成滋养外胚层（trophectoderm）的能力，而小鼠胚胎干细胞（ESCs）则没有。这一差异使得人类原始 PSCs 能够形成类似囊胚的结构 ——blastoid，为研究胚胎植入前和植入期的发育过程提供了独特的模型。

黑猩猩作为与人类进化距离最近的现存亲属，在研究灵长类胚胎发育和分子调控方面具有重要价值。然而，此前描述的黑猩猩 PSCs 并不具备原始特征，它们属于 primed PSCs，与植入后的胚胎盘外胚层相关，缺乏形成 blastoid 的能力。因此，建立黑猩猩原始 PSCs 并探究其自我更新需求、标志性转录因子和无限制的谱系潜能，对于理解人类和其他灵长类动物的早期胚胎发育机制至关重要。

为了解开这些谜团，英国埃克塞特大学（University of Exeter）等多个机构的研究人员展开了深入研究。他们发现，抑制多梳抑制复合物 2（PRC2）能够使黑猩猩原始 PSCs 实现自我更新，这一成果为研究多能性和早期胚胎发生提供了新的模型，相关研究成果具有重要的科学意义。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。在细胞重编程方面，利用 Sendai 病毒载体或 RNA 递送将黑猩猩的血细胞或成纤维细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）；通过化学处理将常规 PSCs 转化为原始 PSCs。在细胞分析技术上，运用转录组测序（包括 bulk RNA-seq 和 scRNA-seq）来分析细胞的基因表达特征，以此评估细胞的转录组身份；采用免疫染色、免疫印迹、全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）等技术研究细胞的表观基因组特征；借助染色体分析技术（如 G-banding）检测细胞的染色体状况。同时，通过多种分化诱导实验，如体细胞谱系分化、滋养外胚层和下胚层分化、blastoid 形成等实验，探究细胞的分化潜能。

下面来详细看看研究结果：

1. 黑猩猩原始 iPSCs 的生成和增殖：由于伦理和实践限制，研究人员采用分子重编程技术将黑猩猩体细胞转化为 iPSCs。最初，利用人类原始 PSCs 的培养方案处理黑猩猩 iPSCs 时，虽能观察到表达原始标记的菌落出现，但无法传代。随后，在培养基中添加激活素、白细胞介素 - 6（IL-6）和 EPZ-6438（PRC2 的竞争性抑制剂）组成的 PXGL-A6E 培养基后，黑猩猩原始 PSCs 能够持续传代。这些细胞在形态、基因表达和表观基因组特征上与人类原始 PSCs 相似，且在无饲养层的条件下也能维持增殖和原始状态123。
2. 细胞的能力研究：原始 PSCs 需要经过 capacitation 才能对体细胞谱系诱导作出反应。研究人员将黑猩猩原始 PSCs 进行 capacitation 处理后，这些细胞能够响应谱系特异性分化方案，表达确定内胚层、轴旁中胚层或神经外胚层的标记，并且在免疫缺陷小鼠中形成包含三个胚层的畸胎瘤，证明了其具有多向分化的能力45。
3. 转录组身份：通过对黑猩猩原始和常规 PSCs 进行 bulk RNA-seq 分析，并将其映射到人类胚胎单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）数据集的统一流形近似和投影（UMAP）嵌入空间中，发现黑猩猩原始 PSCs 与人类原始 PSCs 和胚胎植入前外胚层在转录组上接近，且在聚类分析中，黑猩猩和人类的样本相互交织，表明两者具有高度相似性，同时还确定了原始和 primed PSCs 状态下的核心基因调控网络候选基因67。
4. 表观基因组特征：研究人员对黑猩猩原始 PSCs 的表观基因组特征进行研究，发现其与小鼠和人类的原始外胚层及原始 PSCs 相似，表现为雌性细胞中两条 X 染色体的激活和全基因组 DNA 低甲基化。例如，通过免疫染色和液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）等技术检测发现，黑猩猩原始 PSCs 中 H₃K27me₃和 H2Aub 的染色模式以及 DNA 甲基化水平在不同细胞状态下呈现出特定的变化规律89。
5. 向滋养层和下胚层分化：研究表明，黑猩猩原始 PSCs 具有分化为滋养外胚层和下胚层的能力。用诱导人类原始 PSCs 分化为滋养外胚层的条件处理黑猩猩原始 PSCs 后，能够检测到滋养外胚层标记的表达，且分化的细胞在进一步培养后可形成具有不同滋养层细胞特征的细胞。同时，使用特定条件处理黑猩猩原始 PSCs 也能诱导其向下胚层分化1011。
6. 三谱系 blastoid 的形成：研究人员成功诱导黑猩猩原始 PSCs 形成了 blastoid，这些 blastoid 包含滋养外胚层、外胚层和下胚层的标记，且通过单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）分析证实其细胞组成与人类胚胎囊胚阶段的细胞类型相关，为研究早期胚胎发育提供了重要模型1213。
7. 黑猩猩成纤维细胞直接重编程为原始 PSC 状态：研究人员尝试将黑猩猩成纤维细胞直接重编程为原始 PSCs，虽最初出现的原始类型菌落无法传代，但在 PXGL-A6E 培养基中，这些菌落能够扩增并建立稳定的 iPSC 培养体系。通过多种分析方法证实，重编程后的细胞具有原始 PSCs 的特征1415。
8. H₃K27me₃积累对黑猩猩原始 PSC 自我更新的影响：通过去除 PXGL-A6E 培养基中的单个成分进行研究，发现 EPZ 是维持黑猩猩原始 PSCs 增殖的关键因素。进一步研究表明，PRC2 的抑制或敲除能够减少 H₃K27me₃的积累，使黑猩猩原始 PSCs 在无 EPZ 的情况下仍能维持自我更新，且敲除 PRC2 的细胞在竞争共培养中具有生长优势1617。
9. EZH2 抑制对人类原始 PSCs 的影响：研究人员还发现，EZH2 抑制对人类原始 PSCs 的扩增也有益处。在无饲养层的条件下，添加 EPZ 或 GSK126 能够维持人类原始 PSCs 的扩增，且这些细胞保持原始状态的标记表达，并具有分化为滋养外胚层的能力1819。

综合研究结果和讨论部分，这项研究成功建立了黑猩猩原始 PSCs 系，揭示了 PRC2 在黑猩猩和人类原始 PSCs 自我更新中的关键作用，为研究灵长类早期胚胎发育提供了独特的比较模型。研究发现，虽然人类和黑猩猩原始 PSCs 具有相似的特性，但黑猩猩原始 PSCs 对 PRC2 抑制的需求更为严格，这体现了进化过程中多能性调控的差异。此外，研究还表明，PRC2 介导的 H₃K27me₃沉积在原始 PSCs 自我更新中起着意想不到的调控作用，为 PSCs 自我更新的研究引入了新的调控机制。然而，该研究也存在一定的局限性，如难以获取高等灵长类的组织样本、依赖人类胚胎数据作为体内参考等。但总体而言，这项研究成果为深入理解灵长类早期胚胎发育和多能性调控提供了重要的理论依据和实验基础，有望推动相关领域的进一步发展。