近日，加州大学伯克利分校的新干细胞研究人员已经创建了帮助科学家了解早期胚胎的第一个分子决定。 最终，这些见解可以拓宽可以从干细胞产生的组织的组成成分，对再生医学和基于干细胞的治疗具有重要意义。

 

受精卵被认为具有充分的发育潜力，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外组织。 胎盘哺乳动物，胚胎外组织例如胎盘和卵黄囊的独特特征对于胎儿和母亲之间的营养物和废物交换是至关重要的。

 

相比之下，大多数胚胎和诱导多能干细胞在其发育潜力更受限制，它们能够形成胚胎细胞类型，但不是胚胎外组织。 受精卵产生胚胎和胚外组织的能力被称为“全能性”，即仅在胚胎发育的最早阶段期间看到的最终干细胞状态。

 

“研究胚胎发育极大地受益于胚胎干细胞的培养系统，最近，诱导多能干细胞这些实验系统允许科学家解剖指定胚胎发育中决定细胞命运的关键分子途径，”团队负责人，加州大学伯克利分子和细胞生物学副教授 Lin He 说， “但是，由于材料有限和缺乏细胞培养实验系统，受精卵的独特发育潜力非常难以研究。”

 

这项新研究不仅揭示了调节“全能性”干细胞状态的新机制，而且还提供了强大的细胞培养系统以进一步研究全能性。

 

miRNA 和干细胞

 

从三天半的小鼠胚胎或五天半的人胚胎收集的胚胎干细胞（ES）被称为多能干细胞，因为它们可以成为体内的上千种细胞类型。 它们在过去几十年里使科学家产生兴奋，因为科学家们可以在实验室中研究它们，以发现控制胚胎和胎儿中特化组织发育的遗传开关，并且还因为它们有可能替代已经分解的身体组织，例如在具有充血性心力衰竭的那些心肌细胞或糖尿病患者中的那些胰腺细胞。 这些干细胞也可以让研究人员研究遗传疾病的早期阶段。

 

作为从胚胎收获 ES 的替代方案，科学家还可以通过用转录因子鸡尾酒处理成熟的体细胞，使它们退化，使它们几乎和胚胎干细胞一样柔韧，从而获得多能干细胞。 这些人工衍生的干细胞称为诱导多能干（iPS）细胞。

 

然而，ES 和 iPS 细胞都不像原始受精卵那样灵活，因为受精卵可以形成胚外和胚胎组织。 到从小鼠或人胚胎收获胚胎干细胞时，细胞已经致力于胚胎或胚外谱系。

 

miRNA 是一种小的，非编码 RNA，其不翻译成蛋白质，但对基因表达调节具有深远的影响。Lin He 和同事发现，称为 miR-34a 的 miRNA 似乎是制止 ES 和 iPS 细胞产生胚外组织的关键。 当这种 microRNA 被删除，ES 和 iPS 细胞能够扩大其发展决定生成胚胎细胞类型以及胎盘和卵黄囊细胞。 在他们的实验中，约 20% 的缺乏 miRNA 的胚胎干细胞表现出扩大的命运潜力。 此外，这种效应可以在细胞培养中保持长达一个月。

 

 

 

通过 MuERV- L 诱导，图示（红色）miR-34a 缺陷胚胎干细胞培养物富集具有扩增发育潜力的细胞。 这些细胞不同于由 Oct4 染色（绿色）显示的经典胚胎干细胞。 MuERV- L 是在非常早期胚胎中激活的鼠内源性逆转录病毒家族。

 

“令人惊讶的是，只操纵一个单一的 microRNA 能够大大扩展胚胎干细胞的细胞命运，”Lin He 说。“这一发现不仅确定了调节全能干细胞的新机制，而且揭示了非编码 RNA 在干细胞命运中的重要性。“

 

此外，在这项研究中，研究小组发现了 miR-34a 和一类特定的小鼠反转录转座子之间的意想不到的联系。 反复转座子被长期视为“垃圾 DNA”，是构成哺乳动物基因组大部分的古代外来 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期间没有任何作用，但他的发现表明，它们可能与早期胚胎的决策密切相关。

 

“一个重要的开放问题是这些反转录转座子是否是发展决策的真正驱动因素。”研究的共同作者 Todd MacFanlan 说。