哺乳动物的胚泡由三种不同的细胞类型组成:外胚层（Epiblast）、滋养层（Trophoblast, TB）和原始内胚层（Primitive endoderm，PrE）【1-2】。目前虽然胚胎干细胞以及滋养层干细胞等体外培养的细胞系能够有效保留外胚层以及滋养层的功能特征，但是完全实现原始内胚层发育潜能的干细胞的存在尚未被证实。为此，日本千叶大学Yasuhide Ohinata（通讯作者以及第一作者）在Science发文题为Establishment of mouse stem cells that can recapitulate the developmental potential of primitive endoderm，报道了小鼠体内原始内胚层干细胞的来源，这一发现将有助于阐明原始内胚层干细胞特化的具体机制以及胚胎植入前、植入后的发展过程。

目前关于原始外胚层细胞理解的工具已经初有成效，胚胎体外培养的内胚层细胞实验体系（Extraembryonic endoderm cells，XENCs）是由原始内胚层细胞衍生出来的，但是目前的体系并不能完整再现原始内胚层细胞的发育潜能【3】。原始内胚层细胞对于正常的胚胎发育非常关键，是多个胚层的起源，因此建立起有效的体外培养体系将大有裨益。

为了进一步了解原始内胚层细胞在胚胎植入前以及植入后在早期发育过程中的作用，作者们希望建立完全保留发育前潜能的干细胞系。因此，作者们检测了不同的培养条件，并对其中血清也进行了检测，因为需要通过血清来为体外细胞系提供相应的分化信号（图1）。作者们发现加入GSK3抑制剂可促进从内细胞团中衍生出XENCs的效率，MAPK激酶抑制剂则会抑制这一诱导过程。无血清培养条件不能支持内细胞团群的形成，但是加入GSK3抑制剂则具有促进作用。随后，作者们对GSK3抑制剂在培养条件中所发挥的作用进行进一步检测，发现原始外胚层细胞群落的维持依赖于该抑制剂，当提高该抑制剂浓度时会促进细胞增殖，并增加细胞群落的紧密程度。综合各种培养条件，以及结合在培养过程中的自我更新特性，作者们将诱导形成的细胞称为原始内胚层干细胞（Primitive endoderm stem cells，PrESCs）。

图1 体外原始内胚层细胞长期培养条件监测

接下来，作者们将来希望将体外培养PrESCs细胞以及囊胚内细胞团的细胞进行单细胞scRNA-seq，从而可以对这些类别的干细胞的基因表达谱进行对比。通过主成分分析，作者们对体外培养的PrESCs细胞同质性进行了确认，先前已知在原始内胚层细胞中表达的标记基因在单细胞图谱中均表达，并且与胚胎干细胞以及XENCs相比具有很好的特异性。通过对特定细胞标记物的免疫染色，作者们进一步确认了体外培养PrESCs细胞的身份命运，而这些特定的细胞标记物在XENCs培养体系中并不表达。该结果说明作者们所建立的体外培养PrESCs细胞的工作系统能够很好地概括体内原始内胚层细胞的表达谱特征、发育时程以及细胞标记物。

进一步地，作者们对该细胞系在体内的功能进行了检测，发现将绿色荧光蛋白标记的PrESCs或者XENCs分别注射到囊胚之中，PrESCs细胞能够被有效得整合到原始内胚层的细胞层之中，但是XENCs则是随机定位的。另外，作者们还发现PrESCs细胞系保留了多个胚层的发育潜能，通过去除体内的原始内胚层细胞，并进行PrESCs注射，确认该体外培养的细胞可以完全替代内源性原始内胚层细胞。在这些嵌合体中有效促进内胚层组织的发育。因此，PrESCs可以在功能上替代内源性原始内胚层细胞，因此的确可以被成为胚胎体外培养的原始内胚层干细胞。

总的来说，该工作提出了一种高效生成原始内胚层干细胞PrESCs的实验方案，从而为更多的体外实验提供了工具，也为原始内胚层细胞的培养提供了规范的机制，另外也可以利用该方案在体内进行胚胎重建。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.aay3325

1. Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 1981;292(5819):154-156. doi:10.1038/292154a0

2. Tanaka S, Kunath T, Hadjantonakis AK, Nagy A, Rossant J. Promotion of trophoblast stem cell proliferation by FGF4. Science. 1998;282(5396):2072-2075. doi:10.1126/science.282.5396.2072

3. Kunath T, Arnaud D, Uy GD, et al. Imprinted X-inactivation in extra-embryonic endoderm cell lines from mouse blastocysts. Development. 2005;132(7):1649-1661. doi:10.1242/dev.01715