哺乳动物胚胎发育过程中全能性受精卵经过第一次细胞命运决定会生成内细胞团（Inner cell mass, ICM）和滋养外胚层（Trophectoderm, TE）细胞，随后ICM产生原始内胚层（Primitive endoderm, PrE）和上胚层（Epiblast, EPI）细胞。其中上胚层细胞是胎儿所有三个胚层的祖细胞，而滋养外胚层细胞则会分化形成胎盘相关细胞谱系，为胚胎发育提供营养支持，为胚胎发育必不可少的部分。目前多种具有早期胚胎各谱系分化潜能的干细胞系均能够从早期胚胎中成功建立并可以在体外稳定地培养扩增。其中多能性胚胎干细胞（Embryonic stem cells，ESCs）起源于胚胎上胚层，具有分化形成胎儿所有细胞类型的潜能；而滋养层干细胞（Trophoblast stem cells, TSCs）则来源于胚胎的TE部分，能够分化形成构成胎盘的各种细胞谱系。不同于人naïve态的多能干细胞，一般认为小鼠的胚胎干细胞不具有自主分化为滋养层细胞谱系的能力。目前对于表观遗传修饰如何限制小鼠ESCs向TSCs转分化在很大程度上仍然不得而知。

近日，广州医科大学－中国科学院广州生物医药与健康研究院联合生命科学学院、广州国家实验室张满课题组联合爱丁堡大学Ian Chambers教授，广州医科大学－中国科学院广州生物医药与健康研究院联合生命科学学院、广州国家实验室范小英教授在Developmental Cell发表了题为Inhibition of HDAC activity directly reprogrammes murine embryonic stem cells to trophoblast stem cells的研究论文，揭示了组蛋白乙酰化修饰调控小鼠胚胎干细胞向全能性细胞和滋养外胚层细胞命运转变的机制，深刻阐述了表观遗传修饰在维持和扩展胚胎干细胞多能性状态中的作用。

在这项研究中，研究人员发现组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的抑制剂丁酸钠（Sodium Butyrate, NaB）处理能够显著增加ESCs中MERVL阳性的全能性样细胞（2C-like cells，2CLCs）的数量，同时在TSC的特定培养基中持续添加NaB 8—10天后能够诱导ESCs转分化形成TSCs。NaB诱导形成的TSCs具有和胚胎来源的TSCs相似的转录组特征，并且当被注射到囊胚后能够特异性嵌合发育到胎盘组织。随后研究者对细胞转分化过程进行了更进一步的研究。尽管嵌合体实验表明2CLCs具有同时嵌合到EPI和TE的能力，但该研究发现NaB处理获得的2CLCs在诱导过程中并不能分化形成TSCs，提示NaB诱导的TSCs的形成为直接转分化过程。通过单细胞测序和谱系追踪实验，作者发现尽管NaB处理能够显著增强2CLCs细胞在ESCs中的比例，但NaB介导的ESCs向TSCs的转分化并不经过2C-like细胞的状态。随后研究人员通过敲除诱导2C-like细胞的关键基因Dux阻断了ESCs中2C基因的激活。但在Dux敲除细胞中TSC相关基因仍然能够被NaB激活，且成功建立了Dux敲除的TSCs，进一步明确了NaB介导的ESCs向TSCs的转分化并不依赖于2C-like细胞状态。机制上，研究者发现NaB主要通过抑制LSD1-HDAC1/2复合体中的去乙酰化酶活性来上调2C和TSC特异性基因调控区域的乙酰化水平进而同时促进了2C和TSC相关基因的表达。之前有文献报道转录因子ZMYM2能够结合LSD1-HDAC1/2复合物抑制2C相关基因的表达，敲除ZMYM2则会上调2CLC细胞的比例。而本文作者发现敲除ZMYM2虽会上调2C特异性基因但并不会上调TSC相关的基因表达，提示LSD1-HDAC1/2复合物可能通过与不同的转录因子结合来抑制2C和TSC相关基因的表达，其中的机制还有待进一步挖掘。

此外，通过对单细胞数据的分析，研究人员发现在TSC诱导过程的第8天，NaB处理的小鼠ESCs还会分化形成原始内胚层样的细胞（XEN-like cells）。利用原始内胚层细胞的表面标记物CD140a，研究人员成功建立了XEN-like细胞系。鉴于TSC的诱导过程中会形成构成早期胚胎的三种细胞谱系，研究人员通过直接聚合培养NaB处理8天后的ES细胞（MERVL-GFP阴性）成功获得了小鼠囊胚样的结构。单细胞测序和免疫荧光染色显示这些类囊胚包含了具有EPI、TE和PrE细胞转录组特征的细胞类型并正确表达早期胚胎细胞谱系的特征蛋白。进一步的体外培养发现，其中一小部分类囊胚可以在体外进一步发育重现着床后胚胎发育的部分事件，并在移植到假孕小鼠子宫时能够诱导蜕膜的形成。该体系为利用类囊胚研究哺乳动物早期胚胎发育提供了另外一种易于获取的细胞来源。

这项工作加深了我们对表观遗传修饰如何调控多能性细胞向全能性样细胞和TSC细胞命运转变的认识，并提供了一种易于操作的体外转分化模型用于研究早期胚胎的细胞命运决定过程。

图1. 组蛋白乙酰化修饰调控ESCs向TSCs和2CLC的转分化。

广州国家实验室助理研究员黄博言和彭星、张满课题组博士研究生翟绪昭和胡杰为该文章的第一作者，广州医科大学－中国科学院广州生物医药与健康研究院联合生命科学学院特聘教授、广州国家实验室研究员张满，爱丁堡大学Ian Chambers教授和广州医科大学－中国科学院广州生物医药与健康研究院联合生命科学学院特聘教授、广州国家实验室研究员范小英为该论文的共同通讯作者。该工作还得到了西湖大学裴端卿教授，广州生物医药与健康研究院陈捷凯研究员的支持和帮助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.05.009