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胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESC）是一类具有多功能的干细胞。在卵细胞受精后，受精卵经过桑葚胚阶段，进入囊胚阶段，而囊胚中的细胞分为两大类：
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滋养层和内细胞群。滋养层的细胞会分化为胚胎外组织（胎盘等），内细胞群的细胞则会分化成胚胎的其余结构。分离内细胞群细胞并进行体外培养，即可取得胚胎干细胞。因此，胚胎干细胞拥有分化形成除了胎盘之外的所有胚胎结构的多能性，可分化为三个胚层（外胚层、中胚层、内胚层）的细胞。胚胎干细胞为球状，人胚胎干细胞直径约为14微米，其细胞核一般较大且核仁明显，而细胞质相对较少，在培养皿上易形成圆形、边界清晰、表面光滑的细胞集落。
胚胎干细胞多能性的维持依赖于Sox2、Oct4、Nanog等因子构成的转录网络，确保与细胞自我更新能力有关的基因能持续高水平表达，同时抑制与分化、自噬相关的基因转录。
胚胎干细胞的这种自我更新与分化也与表观遗传学途径密不可分。首先是组蛋白的化学修饰：在胚胎干细胞中，与自我更新相关的基因所在区域组蛋白H3K27高度乙酰化，这些区域中既有组蛋白乙酰基转移酶，也有去乙酰化酶。这两种作用截然相反的酶使H3K27的乙酰化水平维持在一个稳态，便于基因能在外界信号改变时迅速关闭。另外，PRC1与PRC2两种重要的蛋白质会使H3K27、H3K4发生甲基化而使与分化相关的基因不表达。
2009年1月23日，美国FDA批准了一项I期临床试验，该试验将分化自胚胎干细胞的寡突胶质细胞移植入脊髓损伤的患者体内，这是世界首例应用人胚胎干细胞进行的临床试验。
胚胎干细胞具有分化为人体的各种细胞、组织乃至器官的潜能，使其在再生医学领域具有巨大的应用前景。此外，利用胚胎干细胞技术产生的基因敲除或转基因小鼠也对生物医学及药物试验做出重要贡献。
但是，由于胚胎干细胞本身存在的一些缺陷（如使受体产生排斥反应等），以及该技术存在的伦理、道德、法律等各方面的争议，有关胚胎干细胞的研究（即治疗性克隆）在各国都受到了一定的限制。
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