2012年，日本學(xué)者山中伸彌因發(fā)明人工誘導(dǎo)多能干細胞（Induced pluripotent stem cell，iPSC）技術(shù)獲得諾貝爾生理學(xué)獎。這種由成體細胞經(jīng)基因轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)染、小分子化合物誘導(dǎo)等方法獲得的多能干細胞類具有類似于囊胚階段（受精卵發(fā)育5-6天）胚胎干細胞的潛能，但又避開了胚胎干細胞的倫理爭議，為再生醫(yī)學(xué)、組織工程、新藥開發(fā)等領(lǐng)域開辟了一條新的道路。
不過，在多能干細胞之上，還有一種分化潛能更大的干細胞，即全能干細胞（totipotent stem cell），具有分化形成完整個體的分化潛能。這種全能干細胞的狀態(tài)只存在于受精卵發(fā)育的最初幾天。在小鼠身上，只有合子和2細胞（2C）胚胎才是真正意義上的全能干細胞，而在人類和其他哺乳動物身上，這個時限會放寬到4-8細胞（4-8C）胚胎。之后，全能干細胞就開始迅速分化，形成外滋養(yǎng)層（outer trophectoderm, TE）、原始內(nèi)胚層（primitive endoderm, PrE）之后發(fā)育成胎盤和卵黃囊用于母體與子代間物質(zhì)交換，以及上胚層（epiblast, EPI）之后發(fā)育成多個胚胎器官。
圖1 細胞全能性的消失（圖源：Nature）
全能干細胞的特性意味著其在器官體外再生、瀕危物種保護、輔助生殖技術(shù)改進等領(lǐng)域具有誘人前景。然而，雖然多能干細胞以及胎盤、卵黃囊祖細胞的體外培養(yǎng)技術(shù)已相對成熟，全能干細胞的體外培養(yǎng)則直到最近幾年才有所突破。
2018年發(fā)表于Cell Stem Cell的一項開創(chuàng)性工作“Capturing Totipotent Stem Cells”指出，在多能干細胞組成的小鼠胚胎干細胞培養(yǎng)物中，也存在著少數(shù)細胞（約0.5%）具有類似于小鼠2C階段的全能性。這一發(fā)現(xiàn)表明，在體外培養(yǎng)繁殖全能干細胞是可能的。隨后的一些工作試圖找出能將細胞維持在全能狀態(tài)的培養(yǎng)條件，但這些培養(yǎng)系統(tǒng)均未能實現(xiàn)持久的全能性維持。
圖2 全能肝細胞開創(chuàng)性工作(圖源：[1])
2022年3月，由中國科學(xué)院和深圳華大生命科學(xué)研究院牽頭的體細胞誘導(dǎo)培養(yǎng)人類全能干細胞研究在Nature上發(fā)文“Rolling back human pluripotent stem cells to an eight-cell embryo-like stage”。在這項研究中，科研團隊開發(fā)了一種非轉(zhuǎn)基因、快速且可控的方法，從人類多能干細胞中誘導(dǎo)產(chǎn)生8C樣細胞（8C-like cells，8CLC），不論在染色質(zhì)可及性還是在基因表達水平上都與8C胚胎相似，成為了迄今為止在體外培養(yǎng)的“最年輕”的人類細胞。
圖3 研究成果（圖源：[2]）
研究人員還是用單細胞分析和功能喪失實驗確定了多能干細胞轉(zhuǎn)化為8CLC過程中的關(guān)鍵分子事件和基因網(wǎng)絡(luò)，并確定了DPPA3和 TPRX1在其中的關(guān)鍵作用。DPPA3（Developmental pluripotency-associated 3）是卵母細胞DNA甲基化的主要調(diào)節(jié)因子，在整個8CLC轉(zhuǎn)化過程中誘導(dǎo)DNA的去甲基化；TPRX1（Tetrapeptide Repeat Homeobox 1）是一種轉(zhuǎn)錄因子，屬于ETCHbox（Eutherian Totipotent Cell Homeobox）家族，在8CLC轉(zhuǎn)化過程中調(diào)控與該過程相關(guān)的基因網(wǎng)絡(luò)的功能和表達。
進一步的實驗證實，8CLC能夠在體外或體內(nèi)形成類似于胚胎和胎盤的結(jié)構(gòu)，相比于過去的多能干細胞無法分化為胚胎外組織，8CLC具有更全面的發(fā)育潛能。
在體外培養(yǎng)小鼠全能干細胞方面，清華大學(xué)丁勝團隊和中山大學(xué)王繼廠團隊則分別在Nature和Cell Stem Cell上發(fā)文“Induction of mouse totipotent stem cells by a defined chemical cocktail”、“Chemical-induced chromatin remodeling reprograms mouse ESCs to totipotent-like stem cells”，介紹了使用化學(xué)方法重塑小鼠胚胎干細胞細胞基因表達、染色質(zhì)狀態(tài)來誘導(dǎo)和維持體外2C樣狀態(tài)的兩種方法。
圖5 丁勝團隊研究（圖源：[3]）
丁勝團隊從3000多種化合物中篩選出了能夠?qū)⒈磉_2C階段特異性基因的細胞數(shù)量增加三倍的23種化合物，其中包括一些RAR激動劑。然而，單獨激活RAR不足以建立和維持細胞的全能性，因此，丁勝團隊又額外測試了一些能夠增強干細胞重編程、存活和自我更新的小分子。最終團隊通過RNA測序，確定了一組不僅能夠在體外實現(xiàn)表達2C階段特異性基因的細胞的誘導(dǎo)和長期維持，還能使細胞進入最接近2C狀態(tài)的化合物組合——TTNPB、1-azakenpaullone、WS6（統(tǒng)稱為TAW）。
在TAW處理下，被誘導(dǎo)出的ciTotiSC細胞（chemically induced totipotent stem cells）幾乎所有經(jīng)典的全能性特異性基因被激活或高度表達，而大多數(shù)多能性特異性基因被沉默，相比小鼠胚胎干細胞和先前研究中所培養(yǎng)出來的D-EPSC、L-EPSC、2C樣細胞（2CLC）或全能卵裂球樣細胞，許多其他必需的全能轉(zhuǎn)錄因子也在ciTotiSC中特異性激活或高度表達。在染色質(zhì)可及性和關(guān)鍵代謝特征方面，ciTotiSC也與小鼠2細胞胚胎高度相似。
在分化潛能上，ciTotiSC可以在體外形成滋養(yǎng)層干細胞，當(dāng)將4-8個ciTotiSC 接種到宿主8C胚胎中時，ciTotiSC不僅參與了胎盤和卵黃囊的形成，也參與了胚胎本身所有細胞譜系的形成，甚至該嵌合胚胎能夠發(fā)育成健康的活產(chǎn)幼崽。
圖6 王繼廠團隊研究（圖源：[4]）
王繼廠團隊首先考察了2CLC與2C胚胎之間的差異，并提出了DOT1L抑制可通過重塑PCH來實現(xiàn)多能性向全能性轉(zhuǎn)變的假設(shè)。PCH即著絲粒周圍異染色質(zhì)（pericentromeric heterochromatin），主要由一系列名為主要衛(wèi)星（major satellite，majSat）的重復(fù)DNA序列構(gòu)成。實驗證明，DOT1L抑制誘導(dǎo)出的替代2C類狀態(tài)（alternative 2C-like state）不同于2CLC，但單獨抑制DOT1L不足以維持該狀態(tài)，還需要配合KDM5B抑制，來重建卵母細胞/2C特異性的非典型廣泛H3K4me3結(jié)構(gòu)域。研究團隊稱這種方式建立的細胞為全能樣干細胞（totipotent-like stem cells，TLSC）。
王繼廠團隊隨后比較了TLSC和全能卵裂球樣細胞以及L-EPSC、D-EPSC之間的差異。轉(zhuǎn)錄組的分析表明，TLSC和全能卵裂球樣細胞與小鼠2C/4C胚胎相似，而EPSC與囊胚相似，但TLSC和全能卵裂球樣細胞之間仍然在多個2C特異性基因的表達上存在可區(qū)分的差異。此外，在表觀遺傳特征、等位基因特異性轉(zhuǎn)錄上，TLSC也與2C胚胎接近。
將TLSC接種到宿主8C胚胎中后，TLSC同樣對外滋養(yǎng)層和內(nèi)細胞團有所貢獻，甚至比宿主細胞更具生長優(yōu)勢。另外，像2C胚胎自組織形成囊胚一樣，TLSC也可以自組織形成囊胚樣結(jié)構(gòu)，即類囊胚（blastoid）。這些類囊胚轉(zhuǎn)移到假孕小鼠子宮后，超過35%發(fā)生了著床并誘導(dǎo)子宮內(nèi)膜蛻膜化，但不會進一步發(fā)育。
在本文回顧的三項研究中，所培養(yǎng)出的細胞體系均含有多種細胞類型，因此，需要進一步明確定義其主要亞群的關(guān)鍵生物學(xué)特征。此外，這些細胞體系均未通過最嚴(yán)格的全能性測試，即能夠獨立于其他細胞類型產(chǎn)生新生物個體的能力。母體效應(yīng)的缺失也有可能在一定程度上損害全能干細胞的發(fā)育。不過，還需要注意的是，當(dāng)這些不足之處得到補足，培養(yǎng)出的全能干細胞獲得了正常發(fā)育至足月的能力，新的倫理爭議恐怕又將擺上臺面
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