5月19日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院劉晶課題組在Nature Communications在線發(fā)表了題為BMP4 drives primed to naïve transition through PGC-like state的研究論文，該論文發(fā)現(xiàn)BMP4驅(qū)動的干細(xì)胞始發(fā)態(tài)-原始態(tài)轉(zhuǎn)變（Primed-Naïve Transition, PNT）經(jīng)歷了原始生殖細(xì)胞樣中間態(tài)（PGC-like state，PGCLC），并揭示了Primed干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镻GCLC細(xì)胞的表觀遺傳障礙，建立了體外產(chǎn)生原始生殖細(xì)胞的新方法。 

　　在小鼠等哺乳動物中，多能干細(xì)胞存在兩種穩(wěn)定狀態(tài)：原始態(tài)（Naïve）和始發(fā)態(tài)（Primed），分別代表著胚胎著床前后的發(fā)育狀態(tài)。其中Naïve態(tài)多能干細(xì)胞具有形成生殖系細(xì)胞的能力。由于可在體外對胚胎著床前后狀態(tài)進(jìn)行模擬，多能干細(xì)胞的PNT轉(zhuǎn)換研究一直是干細(xì)胞及發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的熱點。 

　　劉晶課題組前期建立了BMP4驅(qū)動的高效PNT轉(zhuǎn)變體系（BMP4 induced PNT，BiPNT；Nature Cell Biology,2020），但該過程具體的細(xì)胞命運變化軌跡和調(diào)控機(jī)制仍不清楚。在本研究中，研究人員利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)（scRNA-seq），深入解析了BMP4介導(dǎo)的PNT過程細(xì)胞命運轉(zhuǎn)變精細(xì)軌跡。結(jié)果表明，BiPNT過程存在兩個主要的細(xì)胞命運分支：Naïve多能性分支和表達(dá)滋養(yǎng)層相關(guān)基因的trophoblast-like分支。通過對Naïve多能性分支進(jìn)行深入分析，研究人員意外發(fā)現(xiàn)，在Naïve多能性分支早期，原始生殖細(xì)胞（primordial germ cell，PGC；精子和卵子的前體細(xì)胞）的主要分子標(biāo)記物,如Prdm1,Prdm14,Tfap2c,Nanos3等大量富集。借助PGC報告細(xì)胞系（BV+SC+，分別指示PRDM1與DPPA3）、細(xì)胞分選等活細(xì)胞分析技術(shù)，研究人員將Primed態(tài)細(xì)胞誘導(dǎo)產(chǎn)生的BV+SC+細(xì)胞移植到雄性生殖缺陷小鼠睪丸中，發(fā)現(xiàn)這些移植的細(xì)胞可以發(fā)育為精子。因此，本研究建立了在體外從Primed態(tài)多能干細(xì)胞高效獲取原始生殖細(xì)胞的方法。 

　　傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，體外培養(yǎng)的Primed態(tài)多能干細(xì)胞（EpiSC）對應(yīng)于小鼠6.5天早期胚胎，已喪失PGC特化能力。在BiPNT體系中，PGC-like細(xì)胞的產(chǎn)生，提示該過程克服了Primed態(tài)向PGC-like細(xì)胞轉(zhuǎn)變的表觀遺傳障礙。針對這一現(xiàn)象，研究人員進(jìn)一步證實BiPNT誘導(dǎo)過程中DOT1L抑制劑的使用是促使EpiSC產(chǎn)生PGC-like的關(guān)鍵因素。后續(xù)通過RNA-seq、ATAC-seq和ChIP-seq實驗，研究人員最終證明DOT1L抑制劑通過調(diào)節(jié)譜系調(diào)控因子如Gata3和Gata6位點H3K79me2修飾狀態(tài)及基因表達(dá)，進(jìn)而抑制滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞命運，促進(jìn)原始生殖細(xì)胞命運。 

　　該研究發(fā)現(xiàn)了小鼠PNT轉(zhuǎn)變新型中間態(tài)，建立了Primed態(tài)干細(xì)胞高效轉(zhuǎn)變?yōu)镻GCLC細(xì)胞的方法，揭示了Primed態(tài)干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镻GCLC細(xì)胞的表觀遺傳障礙，為PGC形成與特化的機(jī)制和功能研究提供了極好的體外研究模型。 

　　廣州健康院博士后余勝勇和周純?nèi)A、生物島實驗室何江平副研究員為論文的共同第一作者。廣州健康院劉晶研究員，西湖大學(xué)裴端卿教授和生物島實驗室曹尚濤副研究員為論文的共同通訊作者。本研究得到了南方醫(yī)科大學(xué)趙小陽教授，復(fù)旦大學(xué)藍(lán)斐教授和廣州實驗室張滿研究員的幫助。該研究成果得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省科技廳、生物島實驗室等項目的資助。 

　　體外誘導(dǎo)原始生殖細(xì)胞的新方法和機(jī)制