Inhibition of mTOR induces a paused pluripotent state

胚泡 诱导多能干细胞 胚胎干细胞 细胞生物学 生物 外胚层 PI3K/AKT/mTOR通路 干细胞 内细胞团 胚胎 遗传学 胚胎发生 信号转导 基因 原肠化
作者
Aydan Bulut-Karslioglu,Steffen Biechele,Hu Jin,Trisha A. Macrae,Miroslav Hejna,Marina Gertsenstein,Jun S. Song,Miguel Ramalho-Santos
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:540 (7631): 119-123 被引量:139
标识
DOI:10.1038/nature20578
摘要

Cultured pluripotent stem cells are a cornerstone of regenerative medicine owing to their ability to give rise to all cell types of the body. Although pluripotent stem cells can be propagated indefinitely in vitro, pluripotency is paradoxically a transient state in vivo, lasting 2-3 days around the time of blastocyst implantation. The exception to this rule is embryonic diapause, a reversible state of suspended development triggered by unfavourable conditions. Diapause is a physiological reproductive strategy widely employed across the animal kingdom, including in mammals, but its regulation remains poorly understood. Here we report that the partial inhibition of mechanistic target of rapamycin (mTOR), a major nutrient sensor and promoter of growth, induces reversible pausing of mouse blastocyst development and allows their prolonged culture ex vivo. Paused blastocysts remain pluripotent and competent-able to give rise to embryonic stem (ES) cells and live, fertile mice. We show that both naturally diapaused blastocysts in vivo and paused blastocysts ex vivo display pronounced reductions in mTOR activity, translation, histone modifications associated with gene activity and transcription. Pausing can be induced directly in cultured ES cells and sustained for weeks without appreciable cell death or deviations from cell cycle distributions. We show that paused ES cells display a remarkable global suppression of transcription, maintain a gene expression signature of diapaused blastocysts and remain pluripotent. These results uncover a new pluripotent stem cell state corresponding to the epiblast of the diapaused blastocyst and indicate that mTOR regulates developmental timing at the peri-implantation stage. Our findings have implications in the fields of assisted reproduction, regenerative medicine, cancer, metabolic disorders and ageing.
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