受精卵被認(rèn)為具有充分的發(fā)育潛力，能夠產(chǎn)生胚胎妊娠所需的所有細(xì)胞類型，包括發(fā)育中的胚胎及其胚外組織。 胎盤哺乳動(dòng)物，胚胎外組織例如胎盤和卵黃囊的獨(dú)特特征對于胎兒和母親之間的營養(yǎng)物和廢物交換是至關(guān)重要的。

相比之下，大多數(shù)胚胎和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在其發(fā)育潛力更受限制，它們能夠形成胚胎細(xì)胞類型，但不是胚胎外組織。 受精卵產(chǎn)生胚胎和胚外組織的能力被稱為“全能性”，即僅在胚胎發(fā)育的最早階段期間看到的最終干細(xì)胞狀態(tài)。

“研究胚胎發(fā)育極大地受益于胚胎干細(xì)胞的培養(yǎng)系統(tǒng)，最近，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)允許科學(xué)家解剖指定胚胎發(fā)育中決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵分子途徑，”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，加州大學(xué)伯克利分子和細(xì)胞生物學(xué)副教授 Lin He 說， “但是，由于材料有限和缺乏細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，受精卵的獨(dú)特發(fā)育潛力非常難以研究。”

這項(xiàng)新研究不僅揭示了調(diào)節(jié)“全能性”干細(xì)胞狀態(tài)的新機(jī)制，而且還提供了強(qiáng)大的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)以進(jìn)一步研究全能性。

miRNA 和干細(xì)胞

從三天半的小鼠胚胎或五天半的人胚胎收集的胚胎干細(xì)胞（ES）被稱為多能干細(xì)胞，因?yàn)樗鼈兛梢猿蔀轶w內(nèi)的上千種細(xì)胞類型。 它們在過去幾十年里使科學(xué)家產(chǎn)生興奮，因?yàn)榭茖W(xué)家們可以在實(shí)驗(yàn)室中研究它們，以發(fā)現(xiàn)控制胚胎和胎兒中特化組織發(fā)育的遺傳開關(guān)，并且還因?yàn)樗鼈冇锌赡芴娲�已�?jīng)分解的身體組織，例如在具有充血性心力衰竭的那些心肌細(xì)胞或糖尿病患者中的那些胰腺細(xì)胞。 這些干細(xì)胞也可以讓研究人員研究遺傳疾病的早期階段。

作為從胚胎收獲 ES 的替代方案，科學(xué)家還可以通過用轉(zhuǎn)錄因子雞尾酒處理成熟的體細(xì)胞，使它們退化，使它們幾乎和胚胎干細(xì)胞一樣柔韌，從而獲得多能干細(xì)胞。 這些人工衍生的干細(xì)胞稱為誘導(dǎo)多能干（iPS）細(xì)胞。

然而，ES 和 iPS 細(xì)胞都不像原始受精卵那樣靈活，因?yàn)槭芫�卵可以形成胚外和胚胎組織。 到從小鼠或人胚胎收獲胚胎干細(xì)胞時(shí)，細(xì)胞已經(jīng)致力于胚胎或胚外譜系。

miRNA 是一種小的，非編碼 RNA，其不翻譯成蛋白質(zhì)，但對基因表達(dá)調(diào)節(jié)具有深遠(yuǎn)的影響。Lin He 和同事發(fā)現(xiàn)，稱為 miR-34a 的 miRNA 似乎是制止 ES 和 iPS 細(xì)胞產(chǎn)生胚外組織的關(guān)鍵。 當(dāng)這種 microRNA 被刪除，ES 和 iPS 細(xì)胞能夠擴(kuò)大其發(fā)展決定生成胚胎細(xì)胞類型以及胎盤和卵黃囊細(xì)胞。 在他們的實(shí)驗(yàn)中，約 20% 的缺乏 miRNA 的胚胎干細(xì)胞表現(xiàn)出擴(kuò)大的命運(yùn)潛力。 此外，這種效應(yīng)可以在細(xì)胞培養(yǎng)中保持長達(dá)一個(gè)月。

通過 MuERV- L 誘導(dǎo)，圖示（紅色）miR-34a 缺陷胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)物富集具有擴(kuò)增發(fā)育潛力的細(xì)胞。 這些細(xì)胞不同于由 Oct4 染色（綠色）顯示的經(jīng)典胚胎干細(xì)胞。 MuERV- L 是在非常早期胚胎中激活的鼠內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒家族。

“令人驚訝的是，只操縱一個(gè)單一的 microRNA 能夠大大擴(kuò)展胚胎干細(xì)胞的細(xì)胞命運(yùn)，”Lin He 說。“這一發(fā)現(xiàn)不僅確定了調(diào)節(jié)全能干細(xì)胞的新機(jī)制，而且揭示了非編碼 RNA 在干細(xì)胞命運(yùn)中的重要性。“

此外，在這項(xiàng)研究中，研究小組發(fā)現(xiàn)了 miR-34a 和一類特定的小鼠反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子之間的意想不到的聯(lián)系。 反復(fù)轉(zhuǎn)座子被長期視為“垃圾 DNA”，是構(gòu)成哺乳動(dòng)物基因組大部分的古代外來 DNA 片段。 幾十年來，生物學(xué)家認(rèn)為這些反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在正常發(fā)育期間沒有任何作用，但他的發(fā)現(xiàn)表明，它們可能與早期胚胎的決策密切相關(guān)。