胚胎幹細胞（ESCs）是研究多能性（pluripotency）與早期發育的基石模型系統，其分子機制的解析推動了重編程技術的誕生。
多能性的狀態光譜：Naive vs. Primed
Nichols & Smith（2009, Cell Stem Cell）提出多能性並非單一狀態：
- Naive 狀態（ground state）：對應著床前（pre-implantation）內細胞團，小鼠 ESC 在 2i/LIF 條件下（PD0325901 抑制 MEK + CHIR99021 抑制 GSK3β + LIF）可維持 naive 狀態。特徵：兩條 X 染色體均活化（XaXa）、全基因組低甲基化、較高的單細胞轉錄異質性。
- Primed 狀態：對應著床後（post-implantation）上胚層，人類 conventional ESC 與小鼠 EpiSC（epiblast stem cells）屬此類。依賴 FGF/Activin 訊號，一條 X 已沉默（XaXi），基因組甲基化程度較高。
- Formative 狀態：Smith 團隊（2017）提出的中間態，具有回應分化訊號的「competence」但尚未 commitment。
Takashima et al.（2014, Cell）與 Theunissen et al.（2014, Cell Stem Cell）各自開發出將人類 ESC 重設（reset）至 naive 狀態的培養條件（5iLAF、t2iLGöY），使跨物種比較成為可能。
表觀遺傳學調控
- DNA 甲基化：Naive ESC 全基因組 CpG 甲基化約 20-30%（vs. 分化細胞 70-80%）。TET 酵素（TET1/2/3）催化 5mC → 5hmC 去甲基化，維持多能性基因啟動子的低甲基化狀態（Ito et al., 2010, Nature）。
- 組蛋白修飾：「雙價結構域」（bivalent domain）——H3K4me3（活化標記）與 H3K27me3（沉默標記）共存於發育基因啟動子，使這些基因處於「poised」狀態，可快速回應分化訊號（Bernstein et al., 2006, Cell）。
- 染色質重塑：esBAF 複合體（含 BRG1）維持開放染色質狀態；分化時轉換為 npBAF 或 nBAF 組成。
訊號網路整合
- Wnt/β-catenin：在小鼠 ESC 中促進自我更新（CHIR99021 的靶點）；在人類 ESC 中則促進中胚層分化——物種差異需特別注意。
- PI3K/AKT：下游磷酸化 GSK3β，間接穩定 β-catenin 和 c-MYC。PI3K 抑制導致分化。
- Hippo/YAP：YAP 在 ICM 與 trophectoderm 命運決定中扮演關鍵角色；核內 YAP 驅動 TEAD4 促進 trophectoderm 分化。
基因組穩定性與臨床安全
長期培養的 hESC 會累積基因組異常，最常見為 12p、17q、20q11.21 gain（Draper et al., 2004; International Stem Cell Initiative, 2011, Nat Biotechnol）。20q11.21 gain 包含 BCL2L1 基因，賦予抗凋亡優勢。臨床級 ESC 株需定期進行 SNP array 或 WGS 監測。
臨床轉化
- 2010 年 Geron 公司啟動首個 hESC 臨床試驗（脊髓損傷），後因商業考量終止。
- 2014 年 RIKEN/先端醫療研究中心以 iPSC 衍生 RPE 進行 AMD 治療。
- 2023 年 Vertex 的 VX-880（hESC 衍生胰島細胞）Phase I/II 試驗顯示第一型糖尿病患者可減少胰島素用量（Shapiro et al., NEJM 報告待確認）。
文獻：Thomson JA et al. (1998) Science 282:1145-7 / Nichols J & Smith A (2009) Cell Stem Cell 4:487-92 / Bernstein BE et al. (2006) Cell 125:315-26 / Takashima Y et al. (2014) Cell 158:1254-69