本文是一篇发表于《细胞-干细胞》(Cell Stem Cell)期刊2019年7月3日第25卷的综述性文章。文章的通讯作者是来自以色列耶路撒冷希伯来大学阿兹列里干细胞与遗传研究中心的Nissim Benvenisty，第一作者是Atilgan Yilmaz。文章题为“定义人类多能性”，旨在全面、系统地梳理和整合当前对人类多能性状态的理解，通过融合四个不同的视角来构建一个更广阔的框架，从而回答“是什么定义了一个细胞具有多能性”这一核心问题。
文章开宗明义地指出，人类多能性干细胞因其能分化为三个胚胎胚层细胞的能力，在疾病建模和再生医学领域扮演核心角色。然而，对多能性的定义并非单一。作者提出，既往研究主要从四个不同的切入点探索多能性的本质：发育视角、转录组视角、重编程视角以及最近兴起的必需基因群视角。本综述的目的，正是将这四个视角的见解综合起来，深化我们对多能性这一细胞状态的根本理解。
第一个主要观点：从发育视角理解多能性。 这一部分阐述了多能性在人类胚胎发育过程中的时空定位与动态变化。多能性最初在囊胚内细胞团中被发现，这种特性部分保留至植入后上胚层阶段，但在体细胞中最终消失。传统上认为多能性仅出现在发育的短暂窗口期（即囊胚阶段），而之前为全能性，之后为多能性。然而，文章指出，能够在培养中产生多能干细胞的细胞实际上存在于人类发育的各个阶段：从孤雌激活的卵母细胞、8细胞期胚胎、早期和晚期囊胚，到上胚层以及原始生殖细胞。尽管从这些不同阶段衍生出的细胞系（如胚胎干细胞、上胚层干细胞、胚胎生殖细胞）在分子特征上可能有所差异，但它们都保留了分化为三胚层细胞的能力。这揭示了发育过程中的“多能性周期”，并强调了体外培养捕获的多能性状态可能对应于体内不同的、但功能上等效的发育阶段。文章特别讨论了人类多能干细胞研究中“初始态”与“始发态”状态的重要区分。研究显示，传统从囊胚衍生的人类胚胎干细胞在转录组和甲基化组特征上更类似于植入后上胚层细胞，因此被视为“始发态”多能干细胞。近年来，多个研究团队致力于通过不同的培养条件（如2i/LIF基础，外加特定因子、小分子抑制剂或通路激活剂）将始发态细胞“重置”为更接近植入前囊胚内细胞团的“初始态”多能干细胞。初始态细胞具有独特的分子特征，包括独特的转录谱（高表达KLF4/5/17、TBX3等，低表达CD24、ZIC2等）、全局DNA低甲基化、活跃的X染色体状态、依赖氧化磷酸化的代谢模式以及更高的单细胞存活率。然而，文章也客观指出，当前初始态培养体系仍存在挑战，例如可能导致基因组印记丢失、X染色体失活存在偏差以及基因组不稳定性增加等问题。这些发现不仅加深了对早期人类发育的理解，也为建立更精准的体外研究模型提供了基础。
第二个主要观点：从转录组视角理解多能性。 该部分强调每个细胞类型都有其独特的基因表达谱，转录组分析是鉴定和表征多能干细胞的基础手段。国际协作项目通过转录组分析证实了不同实验室来源的人类胚胎干细胞具有一致的基因表达特征，也证明了诱导多能干细胞与胚胎干细胞的高度相似性。文章提到，像PluriTest这样的基于转录组的分析，已成为验证细胞多能性的常用替代方法。除了编码基因，多能干细胞的转录组还受其独特的表观遗传状态调控，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质构象。其中，多能干细胞的一个标志性特征是存在大量具有“双价”染色质标记的基因，这些基因同时带有激活和抑制的组蛋白标记，在未分化状态不表达，而在分化时被激活，体现了多能细胞的分化预备状态。文章指出，虽然像OCT4、NANOG这样在多能细胞中特异性高表达的转录因子被深入研究并确认在多能性维持和诱导中发挥核心作用，但转录组中还有许多富集表达的基因，其功能尚不明确。这引出了一个关键问题：高表达是否等同于功能上的必需性？为解决这一问题，需要结合下文将提到的“必需基因群”视角进行综合分析。
第三个主要观点：从重编程视角理解多能性。 这一部分回顾了通过人工诱导将体细胞重编程为多能干细胞这一里程碑式的成就，它彻底改变了我们定义多能性的方式。以山中因子（OCT4、SOX2、KLF4、c-MYC）的发现为起点，文章梳理了重编程领域的重要进展：包括使用不同因子组合（如OCT4、SOX2、NANOG、LIN28）、减少必需因子数量（仅用OCT4和SOX2，甚至在小鼠中用CRISPR激活内源OCT4或SOX2即可）以及使用谱系决定因子（如GATA3、SOX1）替代核心多能性因子进行重编程的尝试。这些研究表明，多能性可以被视为由核心调控网络所定义的、可被诱导的细胞状态。随后，文章重点介绍了小分子化合物诱导多能性这一突破性进展。通过使用一系列靶向表观遗传修饰酶（如组蛋白去乙酰化酶、DOT1L抑制剂）和信号通路（如GSK3、TGF-β抑制剂）的小分子，可以在不引入外源转录因子的情况下将体细胞重编程为多能干细胞。研究揭示，化学重编程与经典的转录因子重编程可能经历不同的中间状态路径：前者可能经过一个类似胚外内胚层的中间状态，而后者在成纤维细胞重编程中可能经历类似原条的结构。近期单细胞RNA测序研究进一步揭示了重编程过程的异质性和多路径性，识别出了多种平行于多能性获得的替代细胞命运。这一视角表明，重建多能性机器存在多种途径，并凸显了表观遗传和信号通路的调控在定义多能状态中的关键作用。
第四个主要观点：从必需基因群视角理解多能性。 这是本文重点阐述和贡献的新视角。随着CRISPR-Cas9等基因组编辑技术的成熟，在全基因组范围内进行功能丧失性筛选以鉴定细胞生存和生长所必需的基因成为可能。文章的核心贡献之一是基于作者团队先前的研究，提出了“人类多能干细胞的必需基因群”这一概念，并将其作为定义多能性的新维度。作者团队利用具有正常核型的单倍体人类胚胎干细胞，进行了全基因组CRISPR-Cas9筛选，系统地鉴定了对人类多能干细胞正常生长和存活至关重要的基因。通过将这一“必需基因群”与来自多种组织来源的癌细胞系的筛选数据进行比较，发现了一个惊人的现象：超过350个基因被鉴定为是人类多能干细胞“独特必需”的，即它们在其他测试的癌细胞系中并非必需。对这些“多能干细胞独特必需基因”进行蛋白质互作网络和功能聚类分析，文章揭示了支撑人类多能性的核心功能模块，并将其分为四大类别：1）多能性网络：包含OCT4、SALL4、PRDM14等已知核心因子，以及ACVR1B、SMAD2、EOMES等新候选因子。2）细胞周期与DNA修复：包含特定的组蛋白变体、表观遗传修饰酶（如KDM1A、KDM2A/B）和DNA修复蛋白。3）代谢与信号：突出胰岛素信号通路、糖基磷脂酰肌醇合成和胆固醇生物合成途径的重要性。4）蛋白质与RNA模块：涉及RNA剪接、RNA结合、蛋白质泛素化等基本过程，提示这些过程在多能干细胞中受到特异的、细胞类型选择性的调控。文章进一步将必需基因数据与转录组数据进行整合分析，识别出两个核心互作网络簇：一个与多能性维持相关（主要由OCT4调控），另一个与自我更新相关（主要由E2F家族转录因子调控）。这两个网络通过LIN28B等基因连接，共同构成了多能干细胞生存的遗传基础。这一视角的重要性在于，它揭示了高表达基因（转录组视角）不一定是功能必需的（如TET1因其同源基因TET2的补偿作用而非必需），而一些基本过程的必需成分在多能干细胞中可能受到独特调控。这为理解多能性的遗传基础提供了前所未有的、功能性的见解。
文章的总结与价值： 在结论部分，文章强调，四种视角——发育、转录组、重编程和必需基因群——并非孤立，而是相互关联、相互补充的。将它们结合起来，才能获得对多能性更全面、更深入的定义。例如，将必需基因群与转录组结合，可以识别出那些既是高表达又是功能核心的基因网络；而重编程研究中发现的因子，其功能层次和必要性可以在必需基因筛选中得到验证或重新评估。文章最后提出了一个前瞻性观点：基于必需基因群的分析，是否可以重新定义驱动多能性的核心调控因子（如OCT4和E2F家族）？这为未来更高效、更精准地操控多能性状态指明了方向。总而言之，这篇综述系统性地整合了人类多能性研究的多维度信息，不仅为领域内的研究者提供了一个清晰的知识框架和未来研究方向，也强调了通过交叉视角和新技术（如CRISPR筛选）来深化对基本生物学概念理解的重要性。它表明，多能性不仅是一个发育阶段或一个基因表达谱，更是一个由特定遗传和表观遗传网络支撑的、独特的细胞功能状态。这对于推动人类发育生物学、疾病建模、药物筛选和再生医学的发展具有重要的理论指导意义。