在近二十年的研究中，科學家們發現多能幹細胞（Pluripotent Stem Cells, PSCs）可被劃分為Nave（原始態）和Primed（始發態）兩種狀態，分別代表了體內胚胎著床前、後的兩種狀態。2017年，Austin Smith教授首次提出，介於Nave和Primed之間可能存在著一種新的狀態，處於該狀態的細胞應和處於早期著床時期的胚胎類似，具備以下特性：既可嵌合到胚胎ICM，並可在體外進行原始生殖細胞（Primordial Germ Cell，PGC）誘導。而該狀態被命名為Formative態。但是自從該中間狀態被提出以來，科學界還沒有一種穩定的細胞系具備Formative的主要特性。
2020年12月2日，由美國西南醫學中心(UT Southwestern Medical center)吳軍及深圳華大生命科學研究院為主的科學家團隊在Cell Stem Cell雜誌上聯合發表題為「Derivation of Intermediate Pluripotent Stem Cells Amenable to Primordial Germ Cell Specification」的研究文章，首次在多個物種中建立了具有「Formative」特徵的穩定幹細胞系。
在該文章中，通過同時激活 FGF/Erk， TGF-β/Smad， WNT/β-Catenin三條信號通路，科學家團隊首次建立了具有「Formative」特徵的穩定細胞系，並且通過實驗和多組學數據證實了，該細胞系的確是一種介於Nave和Primed之間的細胞狀態，分別並同時具備Nave 和Primed的一些特徵，可直接由nave轉化而來，並且可以直接過渡到Primed狀態而去。最重要的是該細胞系可以高效地嵌合，且可以直接響應BMP4信號的作用，轉化為原始生殖細胞。根據其特性，科學家們將這種細胞命名為XPSCs 【chimera (Χμαιρα in Greek) and PGC dual-competent pluripotent Stem Cells】。
更重要的是，使用完全相同的誘導培養條件可同時得到其他物種的XPSCs細胞系，該團隊已從成體細胞中通過重編程技術得到了人及馬的Formative-like誘導多能性幹細胞系（iPSCs），並且從馬及小鼠的胚胎中，分離出了馬和小鼠的Formative-like胚胎幹細胞系（ESCs）。其中馬的細胞係為世界首次分離誘導的馬胚胎幹細胞及誘導多能幹細胞。並且產生了世界首例馬鼠異種嵌合早期胚胎，證明馬的XPSCs細胞系具有高效的種間嵌合效率。
據悉，該文章的共同第一作者為於樂謙博士、魏育蕾博士、孫海汐博士，三人共同完成該文章的主要實驗部分以及生物信息學部分。於樂謙稱：「使用完全相同的培養條件能夠獲得三種不同物種的幹細胞是令人興奮的，這代表著這種中間狀態也許在物種之間更加的保守，意味著也許在不遠的將來，我們能夠獲得幹細胞來自於各種不同的物種，這將使我們能夠從細胞及分子水平更好地了解物種間進化的差異」。
該文章的通訊作者為西南醫學中心分子生物學系助理教授吳軍博士。吳軍稱：「XPSCs為研究哺乳動物多能性以及研究調控原始生殖細胞分化的分子機制開闢了新途徑，而且我們的方法可能廣泛適用於從其他哺乳動物物種中獲得更多類似的幹細胞」。
早在2017年吳博士曾發表了世界第一例人豬嵌合體胚胎，該工作旨在動物體內培育出可供移植的人類器官，從而解決移植器官來源嚴重不足的難題。而當前的工作是在早期研究上的進一步推進。研究出高效的可用於異種嵌合的細胞系，可進一步推進異種嵌合的研究以及應用。
此外，基於XPSCs細胞的可向原始生殖細胞誘導的特點，可用於對瀕危物種的保護與繁衍。該團隊正在嘗試獲取瀕危物種白犀牛的誘導多能性幹細胞，並且進行原始生殖細胞的誘導，以期恢復該物種的在自然界的可持續性。
本研究依託深圳國家基因庫完成全部生物信息學數據分析和存儲。
另外，在同期Cell Stem Cell上，來自英國劍橋大學的Austin Smith課題組發表了一篇題為 Capture of Mouse and Human Stem Cells with Features of Formative Pluripotency的文章，在這項研究中，作者通過在低生長因子刺激的條件下培養小鼠上胚層細胞，衍生出具備處於初始態和始發態之間的形成態（formative）多能性特性的幹細胞，且這一方法可同樣應用於人類胚胎中類似幹細胞的誘導和擴增。
如果在保持自分泌生長和存活信號的同時，將形成態上胚層細胞從譜系誘導性刺激中隔離可能會阻止發育進程，但會維持增殖狀態。Nodal，FGF4和FGF5在植入後的早期上胚層細胞中廣泛表達，並促進小鼠ESC的譜系獲能，因此作為支持形成態多能性的候選基因，給予FGF和Nodal通路的適度刺激可能會維持形成態細胞群。作者通過顯微解剖分離E5.5上胚層細胞並在特定條件下培養，發現在沒有其他刺激的情況下，將Nodal /activin途徑激活與自分泌FGF活性相結合可能會使細胞懸浮在多能性的形成階段。需要注意的是，與ESC或EpiSC不同，形成態幹細胞（以下簡稱FSC）能夠直接對生殖細胞誘導作出反應。因此，給予qRT-PCR驗證一系列生殖細胞標誌物的表達，作者將衍生細胞指定為FSC。
EpiSC通常不會對囊胚注入嵌合體發揮作用，除非進行基因修飾以增強內細胞團（ICM）整合及存活，而作者通過囊胚注射三種攜帶報告基因的不同胚胎來源的FS細胞後，發現儘管FSC和原代形成態上胚層細胞可以貢獻產生囊胚嵌合體，但其效率低於ESC或ICM細胞。為了進一步證實細胞身份，作者通過RNA-seq對FSC，ESC以及EpiSC進行比較，並確定328個在FSC中上調的基因且主要集中在離子轉運和細胞黏附通路。
那麼FSC與其他兩種階段細胞相比，就特定生長因子和轉錄因子的依賴性而言是否存在差異？作者通過評估轉錄組數據，ATAC-seq和ChIP-seq，以及CRISPR-Cas9技術，證實FGF和Nodal/activin通路對FSC維持的重要性，並鑑定出826個在FSC中特異性富集峰。值得注意的是，FSC的2417個二價啟動子中存在特異的Prdm14，而它是編碼生殖細胞關鍵決定因子之一。此外，FSC和EpiSCs也同樣顯示不同的轉錄因子依賴性，對於維持FSC狀態穩定而言，Otx2而非Etv4/5是必需的，而EpiSCs卻恰恰相反。
在研究的最後，作者使用三種人源多能幹細胞（human pluripotent stem cells, hPSC）cR-H9EOS，cR-Shef6和HNES以衍生人類形成態幹細胞樣細胞系，並通過製備RNA-seq文庫與hPSC進行全轉錄組比較。重要的是，作者研究了將小鼠FSC培養條件直接應用於人ICM外植體的過程，胚胎來源的細胞表現出與上述人類形成態幹細胞樣細胞系相似的形態和生長行為，並且未檢測到初始態特異性轉錄因子KLF4和KLF17的表達，而檢測到一些在形成態細胞中表達而在hPSC中下調的基因轉錄本。
總的來說，這項研究通過從小鼠上胚層細胞衍生出形成態幹細胞，並藉助全轉錄組分析，ATAC-seq，ChIP-seq等多種手段分析這類中間態細胞的特徵，且將這一應用拓展到人類形成態幹細胞的研究當中。這些發現加深了對幹細胞研究領域的理解，也或許對疾病模型的創建和幹細胞療法的推動發揮積極作用。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.003
https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.005