胚胎干细胞（ESCs,embryonic stem cells）来源于胚胎发育早期囊胚阶段的内细胞团,可在体外无限扩增并具有分化为各种体细胞类型的潜能,即具有自我更新（self-renewal）和多能性（pluripotency）两大特征。因此,ESCs是体外研究发育的良好模型,也为细胞治疗、体外模拟疾病发生和药物研发提供了重要的初始材料。经过多年的研究,人们对ESCs的自我更新和多能性这两大特征的认识已经很丰富,但主要集中在转录调控和表观遗传学层面,而在翻译以及代谢调控层面的认识依然有限。mESCs（mouse ESCs）是最早建立的ESCs细胞系,一方面具备快速增殖以及几乎无限的自我更新能力,有助于体外研究中的细胞大量扩增和连续开展实验;另一方面机制研究深入,具有完备的评价标准（基因表达、表观遗传学修饰、分化和发育能力）。且mESCs在体外拥有两种广泛采用的稳定培养条件:经典的血清（serum+LIF,SL）条件和基态（ground state,无血清培养基中添加LIF以及MEK/ERK和GSK3的两种小分子抑制剂,即2iL）条件。但两种培养条件下的mESCs各有其优缺点,在转录、翻译、线粒体代谢以及表观遗传学等层面都有很大差异,MEK/ERK和GSK3两条通路参与调控许多细胞内的重要功能,它们对mESCs自我更新与多能性的调控导致相同的干预在两种培养条件下发现的机制并不相同,因此深入认识两大特征的机制研究都有必要在2iL和SL两种培养条件下开展比较研究。mTOR（mechanistic target of rapamycin）是合成代谢总开关,通过组成两种复合物发挥功能,即 mTORC1（mTOR complex 1）和 mTORC2（mTOR complex 2）,mTORC1失调（尤其是过度激活）直接导致发育异常、衰老、多种代谢疾病和肿瘤的发生。最近一系列研究发现,mTORC1也参与调控ESCs的自我更新与多能性。尤其是在mESCs中mTORC1和mTORC2的活性需要精密地维持在一个较低的水平:使用mTOR激酶抑制剂INK128完全抑制mTOR的活性会导致mESCs进入自我更新停滞、但能维持多能性的“暂停”（“pause”）状态;而过度激活mTORC1则会抑制mESCs多能性的退出。尽管以上研究围绕mTOR对mESCs自我更新和多能性的作用和调控机制都取得了很多结论,但仍然有一系列基础性的、重要的问题还有待进一步阐明:1,mESCs中mTOR的活性与多能性之间是否存在相关性?2,内源mTORC1还是mTORC2维持mESCs自我更新?其具体机制是什么?3,mTORC1异常激活如何影响mESCs多能性?针对上述问题,在2iL和SL两种培养条件下,我们通过多种手段抑制和激活mTOR对自我更新和多能性开展研究。我们取得了以下结论:1,mTOR的活性在体细胞和不同状态的mESCs中与多能性状态之间呈现出负相关趋势,特别是mTOR活性在2iL培养条件下达到最低;2,针对自我更新,在2iL和SL两种培养条件下,内源低水平的mTORC1主要通过eIF4F（eukaryotic translation initiation factor 4F）同时控制细胞质和线粒体的翻译来控制mESCs的自我更新,而mTORC1并不影响mESCs多能性基因的翻译,但在SL培养条件下,eIF4F还会通过mTORC1非依赖的方式介导MEK/ERK通路对多能性的调控;3,针对多能性,在2iL和SL两种培养条件下,mTORC1的异常激活对多能性产生近似相反影响,在2iL mESCs中,mTORC1的异常激活通过PDH激活线粒体代谢并下调多能性,而在SL mESCs中,MEK/ERK通路抑制mTORC1-PDH通路并抑制线粒体代谢,从而阻止甚至部分逆转mTORC1异常激活对多能性的不利影响。综上所述,本论文不仅发现了 mTORC1-线粒体代谢通路参与调控mESCs自我更新和多能性,还揭示了 2iL和SL两种不同培养条件下mTORC1与MEK/ERK信号通路在翻译、线粒体代谢和多能性中的协同作用。这些都有助于认识胚胎干细胞自我更新与多能性维持的细胞生物学新机制,有利于开发更多培养和分化方法,进一步完善胚胎干细胞命运调控的研究,从而推动胚胎干细胞的应用。此外,我们的研究结果还可能具有更广泛的提示意义。目前成体干细胞或功能细胞前体这类细胞在体外几乎都无法像mESCs那样实现长期稳定扩增,如何激活这类细胞的自我更新同时维持其分化潜能具有重要价值,有助于推动再生医学的发展。而在机体水平,特异性地刺激体内干细胞的稳态维持,即在体内干细胞反复再生过程中依然维持其良好的分化潜能,将对克服疾病甚至延缓衰老都具有重大意义。