ERK信号抑制促进人类囊胚中多能性上胚层的维持：揭示早期胚胎谱系分化的分子机制

本研究针对人类早期胚胎发育中上胚层(epiblast)与下胚层(hypoblast)谱系分化的调控机制这一关键科学问题，通过抑制细胞外信号调节激酶(ERK)信号通路，首次证实ERK活性抑制可特异性扩增具有naive多能性特征的人类上胚层细胞。研究人员结合单细胞转录组分析和功能性实验，揭示了FGF/ERK信号通路在人类囊胚谱系决定中的保守作用与物种特异性差异，为理解早期妊娠失败机制和优化干细胞培养体系提供了重要理论依据。

　　

在哺乳动物早期发育过程中，囊胚内细胞团(ICM)如何分化为上胚层(epiblast)和下胚层(hypoblast)是发育生物学的核心问题。虽然小鼠研究表明成纤维细胞生长因子(FGF)和细胞外信号调节激酶(ERK)信号在这一过程中起关键作用，但人类胚胎中的分子机制长期存在争议。更令人困惑的是，超过50%的自然受孕会在5周前以流产告终，这与早期胚胎发育异常密切相关。因此，阐明人类囊胚谱系分化的调控机制，不仅具有重要理论价值，也对改善辅助生殖技术和干细胞应用具有现实意义。

来自英国弗朗西斯·克里克研究所（Francis Crick Institute）和丹麦哥本哈根大学（University of Copenhagen）的研究团队通过系统性研究，首次证实ERK信号抑制可特异性促进人类囊胚中多能性上胚层的扩增，这些细胞具有产生naive多能干细胞(hPSCs)的功能潜力。相关成果发表在《Nature Communications》上，为理解人类早期发育提供了新视角。

研究团队主要采用四种关键技术：①人类囊胚体外培养与药物干预（使用ERK特异性抑制剂Ulixertinib）；②高分辨率免疫荧光成像定量分析（检测NANOG、GATA4等谱系标志物）；③单细胞RNA测序（53个ERKi处理细胞 vs 36个对照细胞）；④naive多能干细胞衍生实验（建立7个hESC细胞系）。所有人类胚胎均获得英国人类受精与胚胎学管理局(HFEA)批准使用。

Exogenous FGF is sufficient to drive human hypoblast specification
通过剂量梯度实验发现，外源性FGF4能以剂量依赖方式促进人类囊胚下胚层分化。750 ng/ml FGF4处理使下胚层细胞增加1.5倍（p=0.21），同时上胚层细胞显著减少2倍（p=0.015）。免疫荧光显示FGF4处理组中下胚层标记GATA4表达扩大，而上胚层标记NANOG表达受限，这与小鼠、大鼠和牛的实验结果一致，表明FGF诱导下胚层分化的功能在哺乳动物中保守。

Suppression of ERK signalling blocks hypoblast formation in the human blastocyst
磷酸化ERK(pERK)检测显示该信号通路在囊胚各谱系中活跃，且随时间增强。使用特异性ERK抑制剂Ulixertinib(5μM)处理后，下胚层细胞几乎完全消失（p=0.003），上胚层细胞数量增加（15 vs 12个，p=0.4）。单细胞转录组证实ERKi处理使下胚层比例从52%降至9%（p=0.0002），且剩余的下胚层细胞仍异常表达多能性标记NANOG。

ERKi of human embryos alters lineage specification and maintains naive pluripotency characteristics
单细胞分析揭示ERKi上胚层细胞下调FGF受体(FGFR1)和ETS转录因子(ETV1/4/5)，同时上调naive多能性相关基因(KLF2/5、DNMT3L)。基因集富集显示脂代谢通路激活，这是naive多能性的标志。与参考数据集比对证实，ERKi上胚层更接近发育第6天的未成熟状态，而对照组更多为第7天的成熟上胚层。

Comparative single-cell transcriptomics reveals conserved ERK function
小鼠实验显示ERKi同样导致ICM全为上胚层细胞，但转录组分析发现重要差异：人类ERKi上胚层维持naive多能性，而小鼠ERKi上胚层呈现休眠状态，mTOR信号通路下调。这提示ERK在哺乳动物中虽保守调控谱系决定，但对上胚层特性的影响存在物种特异性。

Suppression of ERK signalling promotes pluripotent epiblast identity in human
功能实验证实，ERKi处理的囊胚能高效衍生naive hESC（5/9 vs 对照组2/8），这些细胞表达OCT4、KLF17等naive标记，全基因组甲基化分析显示其表观状态（45-55%甲基化）更接近原始上胚层而非primed hESC（85-95%）。值得注意的是，ERKi可替代常规培养中的MEK抑制剂，为hESC衍生提供了新方案。

这项研究确立了ERK信号在人类囊胚谱系决定中的核心地位：FGF4通过ERK促进下胚层分化，而抑制ERK则维持上胚层的naive多能性。这一发现不仅解决了长期存在的物种差异争议，更揭示了人类早期胚胎独特的调控特性——与小鼠不同，人类ERK抑制后的上胚层仍保持功能多能性，这对理解早期妊娠失败和优化干细胞技术具有双重意义。特别值得注意的是，研究建立的ERKi处理方案为获得高质量naive hESC提供了新途径，这些细胞在表观遗传和功能上更接近天然上胚层，将为再生医学研究提供更理想的细胞模型。