胚胎干细胞自我更新的信号调控机制
在分离获得ES细胞后，其自我更新的调控机制受到了广泛的研究。现有的研究结果显示小鼠和人ES细胞的自我更新调控机制存在较大的差异，多个信号调控通路在小鼠和人ES细胞中产生不同的效果：
1.LIF/STAT3信号通路
前面提到LIF在维持小鼠ES细胞自我更新过程中起着关键作用。进一步研究发现，LIF主要通过与LIF受体结合后，激活下游Jak/STAT3信号通路，STAT3(signal transducer and activator of transcription 3)蛋白第705位的酪氨酸磷酸化形成二聚体后进入细胞核后激活干性相关基因（如KLF4、c-Myc等）的表达从而维持ES细胞自我更新[插图]。STAT3的信号水平在这过程中起着重要的调控作用，过高或过低的STAT3信号水平都会引起小鼠ES细胞的分化。但人ES细胞对LIF信号通路没有明显的反应，在添加LIF的培养条件下，人ES细胞最终分化或者死亡。
2.BMP信号通路
骨形成蛋白是TGF-β超家族成员，具有抑制ES细胞向神经分化的作用，并促进ES细胞向中、内胚层分化。早期ES细胞的培养需要添加血清，应其龙教授在研究中发现当将小鼠ES细胞培养于N2B27无血清培养液时，小鼠ES细胞主要自发分化为神经细胞。而在培养液中添加BMP2或者BMP4后，能抑制小鼠ES细胞这种自发的神经分化倾向，BMP结合LIF信号通路就可以维持小鼠ES细胞的自我更新。对BMP信号通路的研究发现其主要通过激活下游Id(inhibitor of differentiation)基因的表达从而抑制ES细胞的分化。这一发现，一方面加深了对小鼠ES调控机制的认识，另一方面也是最早发现的小鼠ES细胞无血清、无饲养层细胞培养体系，后续很多小鼠ES培养体系的优化工作以此作为基础。与小鼠ES细胞不同，在人ES细胞中，BMP信号通路诱导人ES细胞向中、内胚层细胞分化。
3.MAPK/ERK信号通路
早期小鼠体内实验研究显示，MEK抑制剂可以抑制桑椹胚的分化从而促使胚胎形成更多的多能性干细胞。而在ES细胞中，Fgf4基因缺失突变的小鼠ES细胞向神经细胞和中胚层细胞的分化均受到抑制。比较有意思的是，干细胞自我更新相关的转录因子Oct4和Sox2直接调控Fgf4基因的表达，这些现象表明维持干细胞自我更新的转录因子同样存在促进细胞分化的调控信号。1999年，Austin Smith实验室发现ERK1/2抑制剂能抑制小鼠ES细胞的自发分化。后期研究发现，在小鼠ES细胞中，ERK1/2抑制剂主要通过稳定小鼠ES细胞中KLF2、Nanog、klf4等基因的表达水平从而抑制细胞的分化。但与小鼠ES细胞相反，人ES细胞的自我更新需要激活bFGF信号通路，bFGF激活ERK信号通路可以维持人ES细胞干性基因Nanog的表达。
4.Wnt/β-catenin信号通路
Wnt信号通路是一种多功能的信号通路，在细胞增殖、分化、胚胎发育等过程中发挥重要的调控作用。Wnt信号通路激活后可以抑制GSK3的活性从而稳定细胞内β-catenin的蛋白水平，稳定的β-catenin进入细胞核调控下游基因的表达。2008年，应其龙教授研究中发现在无血清培养条件下，单独抑制MEK信号通路虽然可以抑制小鼠ES细胞的分化，但细胞的增殖也受到影响。而在抑制ERK的基础上，同时利用小分子化合物(CHIRON99021)抑制GSK3激活Wnt信号通路，就能很好地维持小鼠ES细胞在体外的自我更新，并且这种条件对不同遗传背景的小鼠ES细胞均具有很好的作用。进一步研究发现，利用相同的小分子化合物同样能分离获得大鼠ES细胞。目前，小鼠和大鼠仍是仅有的两种已证明能获得真正具备形成嵌合体和生殖细胞遗传能力ES细胞的物种。此后，小分子化合物维持ES细胞自我更新的作用机制受到了更多的研究。其中，GSK3抑制剂的作用是多方面的。一方面抑制GSK3后，激活Wnt信号通路稳定细胞内βcatenin的水平，稳定的β-catenin进入细胞核后通过抑制下游基因TCF3的作用，从而促进干性相关基因Nanog的表达，维持细胞自我更新。另一方面，GSK3抑制剂可以稳定细胞内c-Myc的蛋白水平，促进小鼠ES细胞的增殖。不过，Wnt信号通路在人ES细胞中的作用机制与小鼠ES细胞不同，激活Wnt信号通路诱导人ES细胞进一步分化。近期有研究报道，在人ES细胞中抑制GSK3的同时通过小分子化合物XAV939稳定细胞内AXIN的蛋白水平从而降低下游TCF/LEF的信号水平，对人ES细胞的自我更新有促进作用。Wnt信号通路在小鼠和人ES细胞中的这种差别可能由于下游基因的调控差异引起的。
目前，关于小鼠和人ES细胞自我更新调节机制之间存在差异的内在机制还不是很清楚。研究发现人ES细胞与小鼠发育至5.5天时植入后胚胎获得的Epiblast干细胞更加相似，所以目前认为现有的小鼠ES细胞处于相对发育早期的Naive状态，而人ES细胞处于相对发育后期的Primed状态。Primed状态的干细胞不具备Naive状态下ES细胞形成嵌合体动物以及生殖细胞遗传的能力。相对于小鼠ES细胞，人ES细胞中与分化相关的基因表达水平上升较为明显。由于人ES细胞相对来说比较难以培养以及进行基因修饰，是否能获得与小鼠ES细胞性状相似的人ES细胞也是干细胞领域面临的一个热门问题。近年来，相继有文献报道采用不同的小分子化合物组合有可能将人ES细胞维持在更为原始的Naive状态，只是目前这些研究还未形成完全明确统一的认识。
