5月19日，中国科学院广州生物医药与健康研究院刘晶课题组在Nature Communications在线发表了题为BMP4 drives primed to na？ve transition through PGC-like state的研究论文，该论文发现BMP4驱动的干细胞始发态-原始态转变（Primed-Na？ve Transition, PNT）经历了原始生殖细胞样中间态（PGC-like state，PGCLC），并揭示了Primed干细胞转变为PGCLC细胞的表观遗传障碍，建立了体外产生原始生殖细胞的新方法。
在小鼠等哺乳动物中，多能干细胞存在两种稳定状态：原始态（Na？ve）和始发态（Primed），分别代表着胚胎着床前后的发育状态。其中Na？ve态多能干细胞具有形成生殖系细胞的能力。由于可在体外对胚胎着床前后状态进行模拟，多能干细胞的PNT转换研究一直是干细胞及发育生物学研究领域的热点。
刘晶课题组前期建立了BMP4驱动的高效PNT转变体系（BMP4 induced PNT，BiPNT；Nature Cell Biology,2020），但该过程具体的细胞命运变化轨迹和调控机制仍不清楚。在本研究中，研究人员利用单细胞转录组测序技术（scRNA-seq），深入解析了BMP4介导的PNT过程细胞命运转变精细轨迹。结果表明，BiPNT过程存在两个主要的细胞命运分支：Na？ve多能性分支和表达滋养层相关基因的trophoblast-like分支。通过对Na？ve多能性分支进行深入分析，研究人员意外发现，在Na？ve多能性分支早期，原始生殖细胞（primordial germ cell，PGC；精子和卵子的前体细胞）的主要分子标记物,如Prdm1,Prdm14,Tfap2c,Nanos3等大量富集。借助PGC报告细胞系（BV+SC+，分别指示PRDM1与DPPA3）、细胞分选等活细胞分析技术，研究人员将Primed态细胞诱导产生的BV+SC+细胞移植到雄性生殖缺陷小鼠睾丸中，发现这些移植的细胞可以发育为精子。因此，本研究建立了在体外从Primed态多能干细胞高效获取原始生殖细胞的方法。
传统观点认为，体外培养的Primed态多能干细胞（EpiSC）对应于小鼠6.5天早期胚胎，已丧失PGC特化能力。在BiPNT体系中，PGC-like细胞的产生，提示该过程克服了Primed态向PGC-like细胞转变的表观遗传障碍。针对这一现象，研究人员进一步证实BiPNT诱导过程中DOT1L抑制剂的使用是促使EpiSC产生PGC-like的关键因素。后续通过RNA-seq、ATAC-seq和ChIP-seq实验，研究人员最终证明DOT1L抑制剂通过调节谱系调控因子如Gata3和Gata6位点H3K79me2修饰状态及基因表达，进而抑制滋养外胚层细胞命运，促进原始生殖细胞命运。
该研究发现了小鼠PNT转变新型中间态，建立了Primed态干细胞高效转变为PGCLC细胞的方法，揭示了Primed态干细胞转变为PGCLC细胞的表观遗传障碍，为PGC形成与特化的机制和功能研究提供了极好的体外研究模型。
广州健康院博士后余胜勇和周纯华、生物岛实验室何江平副研究员为论文的共同第一作者。广州健康院刘晶研究员，西湖大学裴端卿教授和生物岛实验室曹尚涛副研究员为论文的共同通讯作者。本研究得到了南方医科大学赵小阳教授，复旦大学蓝斐教授和广州实验室张满研究员的帮助。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技厅、生物岛实验室等项目的资助。