解密hESCs向胚外中胚层分化的信号机制与发育动态：BMP/WNT/Nodal通路的协同调控

为解决人类胚外中胚层（ExM）发育机制不清的问题，研究人员通过调控BMP、WNT和Nodal信号通路，首次实现naive和primed hESCs在4-5天内高效（~90%）分化为ExM样细胞（ExMs）。研究发现ExM分化需经历原始条纹样中间态（PSLI），并揭示初始多能状态影响ExM的转录特征和功能特性。该研究为人类早期发育建模和胎盘疾病研究提供了新工具，发表于《Nature Communications》。

在人类早期发育过程中，胚外中胚层（Extraembryonic mesoderm, ExM）是形成胎盘、脐带和卵黄囊的关键结构，但其分化机制长期未明。由于伦理限制和技术障碍，科学家难以直接研究人类植入后胚胎的ExM发育过程。尽管近年来类胚胎模型和干细胞分化技术取得突破，但ExM分化的信号调控原理、发育动态以及不同多能态干细胞的分化偏好仍存在重大知识空白。这些问题的解答，不仅对理解人类早期发育至关重要，也为胎盘相关疾病的机制研究和治疗提供新思路。

来自昆明理工大学灵长类转化医学研究院的研究团队在《Nature Communications》发表重要成果。研究人员通过系统比较naive（对应植入前外胚层）和primed（对应植入后晚期外胚层）两种状态的人胚胎干细胞（hESCs），首次阐明BMP、WNT和Nodal信号通路的协同作用可诱导hESCs高效分化为ExM样细胞（ExMs），并揭示其通过原始条纹样中间态（Primitive streak-like intermediates, PSLIs）的发育路径。

研究采用三大关键技术：1）建立CHIR99021（CHIR, WNT激活剂）+BMP4（CB）和添加Activin-A（CBA）的诱导体系，结合流式分选和长期培养；2）利用TCF/LEF:H2B-GFP报告系统和MESP1-mTomato敲入hESC系追踪谱系分化；3）整合批量RNA测序和10x Genomics单细胞转录组（scRNA-seq），并与人类胚胎（E10-14）和类胚胎模型数据进行比对分析。

研究结果首先显示：在"快速高效诱导naive hESCs分化为可扩增ExMs"部分，CB处理4天的naive hESCs（CBNs）中90%细胞表达GATA6/SNAIL等ExM标志物，scRNA-seq鉴定出ExM（86.1%）、内胚样ExM（EnExM,7.4%）和羊膜样细胞（AM,6.4%）亚群。与植入后胚胎ExM相比，这些细胞更接近早期发育阶段特征。

"WNT信号是naive hESCs中ExM分化的关键"部分证实：当用IWP2（WNT抑制剂）替代CHIR时，细胞命运转向TFAP2A⁺羊膜谱系。β-catenin核定位分析和TCF/LEF报告系统显示，WNT活性是ExM分化的"分子开关"。

"naive hESCs中ExMs的发育动态"通过时序分析揭示：分化第1-2天出现TBXT⁺/MIXL1⁺ PSLIs，第3天后逐渐向FLT1⁺/KDR⁺ ExMs转变。伪时序分析显示从Pre-EPI→Tra→PSLI→ExM的连续轨迹，且WNT/BMP通路基因在过渡态富集。

"培养人类胚胎中PSLIs先于ExM形成"的发现尤为关键：整合胚胎scRNA-seq数据发现，E11胚胎中OCT4⁺/T⁺细胞早于KDR⁺ ExMs出现，免疫荧光证实E11胚胎存在T⁺/GATA6⁺ PSLIs但未见成熟ExM，支持体外模型的生理相关性。

"primed与naive hESCs对CB条件的差异响应"显示：相同CB条件下，primed hESCs主要分化为TFAP2C⁺/CK7⁺羊膜细胞（76.4%），仅18.8%为ExM。但添加Activin-A的CBA条件使primed hESCs高效（>90%）分化为ExMs，且同样经历PSLI阶段。

研究最后通过"naive和primed hESCs在ExM分化中的异同"比较发现：两种来源的ExMs虽共享核心特征，但primed来源者高表达胎盘发育关键基因IGF2/DLK1，更类似原肠胚期ExM；而naive来源者则与植入前胚胎ExM相似，且能产生CD31⁺/KDR⁺造血内皮前体。

该研究首次系统阐明人类ExM分化的信号原则和发育轨迹，突破性地实现不同多能态hESCs的高效ExM分化。其建立的CBA诱导体系（4-5天效率>90%）远超既往需30天的方法，为胎盘研究提供标准化工具。发现PSLIs作为保守发育中间态，为理解灵长类特有的两波ExM起源（植入前和原肠胚期）提供新视角。研究还揭示多能态影响分化效率、细胞组成和功能特性，提示发育阶段特异性的ExM异质性可能具有重要生理意义。这些成果对破解早期妊娠失败、胎盘功能不全等疾病的分子机制具有重要价值。