胚胎干细胞的全能性能够保证经自我更新产生的子细胞始终保留有母细胞的各种分化潜能。而全能性的调控网络是一个非常复杂的过程:首先，刺激细胞自我更新的胞外信号被激活以维持细胞的增殖水平;同时，促进全能性细胞向三胚层细胞分化的信号通路均维持在抑制状态，保证了细胞的全能状态;在胞内，核心转录因子形成调控网络，促进维持干细胞状态的重要信号分子的表达，同时也抑制细胞分化过程中关键基因的表达。

研究发现，饲养层的成纤维细胞能够产生一种白介素6家族的细胞因子( leukemia inhibitory factor，LIF)并且培养液中加入LIF后可以替代成纤维细胞发挥作用，说明了LIF信号通路在mESCs自我更新及全能性维持过程中发挥的重要作用。当培养液中撤去LIF或表达显性失活的STAT3，mESCs就会发生分化，产生包括中胚层和内胚层在内的细胞混合体。因此，LIF-STAT3可能是通过抑制了mESCs向中胚层和内胚层细胞的分化，从而维持mESCs全能性。并且研究进一步证明原癌基因转录因子c-Myc可能参与了LIF-STAT3的作用途径。c-Myc是mESCs中STAT3直接调控的靶基因之一，在培养液中撤去LIF后，c-Myc mRNA表达下降，c-Myc蛋白被GSK3β磷酸化并降解。过表达持续活化形式c-Myc的mESCs，在撤去LIF后仍能够维持自我更新和细胞全能性;而c-Myc功能缺失后，mESCs失去全能性并开始分化为中胚层和原始内胚层细胞。同时有研究表明STAT3参与激活了胚胎干细胞关键蛋白转录因子Nanog，Nanog通过结合信号转导分子Smad1，能够抑制BMP诱导mESCs向中胚层细胞分化。但值得注意的是，人胚胎干细胞( hESCs)全能性的维持不依赖于LIF-STAT3信号通路。这些结果提示mESCs和hESCs的全能性调控的分子机制存在差异。一般情况下，hESCs的体外增殖培养需要bFGF和小鼠饲养层细胞或其条件性培养液，但不需要LIF。人们一直在尝试如何避免使用动物来源的饲养层细胞的情况下，来维持hESCs的未分化状态及其全能性。

维持胚胎干细胞不分化状态的机制包括内源性调控(包括细胞内蛋白、转录因子等)和外源性调控(包括分泌因子、膜蛋白介导的细胞间相互作用、整合素和细胞外基质)因素等。目前的研究主要集中在八聚体结合蛋白4( Oct-4)、Nanog、白血病抑制因子等相互关联交错的通路在胚胎干细胞的自我更新中发挥的关键性作用。

八聚体结合蛋白4( Oct-4)是由POU5f1编码的八基序相连转录因子，属于POU转录因子家族，在鼠胚胎早期卵裂球、囊胚内细胞团、上胚层和原始生殖细胞以及胚胎干细胞、胚胎生殖细胞、畸胎瘤细胞内均有表达;在卵子或精子进入无丝分裂后Oct-4表达缺失，提示其在维持细胞多能性中具有重要作用。大部分的胚胎干细胞系均表达高水平的Oct-4，其也是鉴定人胚胎干细胞的重要标志。研究表明，敲除Oct-4基因的小鼠胚胎不能形成内细胞团，完全由滋养外胚层组成，并且在植入时死亡。RNA干扰实验表明Oct-4表达下调可引起胚胎干细胞分化，并形成滋养层或内胚层，说明Oct-4基因在维持胚胎细胞的发育全能性和胚胎干细胞不分化状态中具有重要作用。胚胎干细胞的全能性对Oct-4的表达水平相当敏感，Oct-4的过高表达也能导致分化。那么，Oct-4的表达既然存在正反馈调节，则必须同时存在负调节机制来彼此平衡，才能使Oct-4的表达具有一定缓冲能力并维持在特定范围内，从而得以保持干细胞的未分化状态及其细胞全能性。事实上，诸如Cdx2、孤儿受体OUP-TFs( chicken ovalbumin upstream promoter-transcription factors)和GCNF( germ cell nuclear factor)等，可能在不同时期参与抑制了Oct-4的转录。

以往认为，LIF/STAT3途径是ES细胞自我更新所必需的。但有证据与此观点相反:许多非ES的其他类型细胞STAT3途径也被激活;缺失LIF/STAT3表达的胚胎也可得到正常的内细胞团;鼠ES细胞系在无LIF的情况仍可自我更新。这些都说明存在另一不依赖STAT3途径使ES细胞维持其特性的基因。2003 年Mitsuik和Chambers科研小组发现了胚胎干细胞内的重要基因Ecat4( ES cell associated transcripts-4)并且以“神秘而永远年轻的土地”命名为Nanog。人Nanog mRNA在EC细胞、ES细胞内高表达，一旦人胚胎干细胞分化，Nanog表达便明显下降。Nanog在分化的胚胎干细胞和体细胞中不表达; Nanog基因缺陷的胚胎干细胞则失去多能性，并开始分化。早期胚胎发育的表达发现:早期卵裂中Nanog没有明显的表达，首先能检测到其mRNA的时期是桑葚胚阶段。到了早期囊胚，只有内细胞团表达Nanog，而滋养外胚层并不表达，晚期囊胚时其mRNA只出现在上胚体而在原始内胚层中不存在。一旦胚胎附植开始后，Nanog的mRNA只出现在上胚体区域，其中近前端表达水平最高，进入原条期后其表达开始迅速减少。Darr等研究表明，在Nanog过表达的情况下人ES细胞可以在无饲养层的条件下保持全能性传代。Nanog抑制分化的一个机制可能是抑制了一些促分化基因如gata4和6的转录，因为在ES细胞中强制性表达gata4和6会使其向内胚层分化。

研究表明，Sox基因在早期胚胎发育、神经发育等许多方面都发挥重要作用。同一Sox基因在不同组织中具有不同的功能，不同的Sox基因在同种组织中往往具有相似的功能，甚至可以相互替代。参与早期胚胎发生的Sox基因主要有Sox1、Sox2、Sox3、Sox7、Sox8、Sox10、Sox12、Sox13、Sox14、Sox15、Sox17和Sox21等。Sox2分别在内细胞团和神经干细胞时期出现表达高峰，Sox2在这两种细胞中的高表达与维持该细胞的状态并抑制细胞分化密切相关。Sox2基因敲除的小鼠能发育至囊胚，但不能形成上胚层。Oct4与Sox2协同调控的靶基因包括: FGF4、UTF1、Fbx15、Nanog以及自身的Oct4和Sox2等基因。其中多数靶基因参与了胚胎干细胞全能性的维持，表明Oct4/Sox2转录复合物在胚胎干细胞转录调控网络中具有关键作用。Sox2与Oct4的表达方式相似，可通过自身正反馈调控得到进一步的加强。

白细胞抑制因子( leukemia inhibitory factor，LIF)是一种作用广泛的因子，最早发现它有促进小鼠单核白血病M1细胞分化并抑制其增殖的作用，故命名为白血病抑制因子。它是一种多功能糖蛋白，属于白细胞介素6家族成员，对于小鼠胚胎干细胞体外多潜能性的维持发挥着重要的作用。研究发现，LIF通过与受体结合而发挥其生物学效应。白血病抑制因子受体( LIF receptor，LIFR)由低亲和受体LIFRa和LIFRβ两条链和高亲和受体gp130( glycoprotein 130)组成。LIF与胚胎干细胞表面低亲和力LIFR结合，使其活化成为高亲和力受体，后者再与细胞因子亚单位gp1130迅速聚合形成异二聚体，共同介导信号转导。LIF结合到其受体上通过蛋白质磷酸化激活Stat3，活化的Stat3进入细胞核调控下游基因的表达。小鼠LIF基因表达具有时间和部位的限制，在小鼠胚泡着床期，子宫内膜LIF基因的表达达到高峰。一旦胚泡着床完成，母体子宫内膜LIF基因表达量迅速下降，这提示LIF基因在这一时期的高表达与胚泡着床密切相关。体外培养的胚胎能分泌有活性的LIF，其他一些研究也证实胚胎来源的成纤维细胞在体外培养时表达LIF基因。另有报道称具有多向生长潜能的鼠胚内细胞团表达LIF受体却不表达LIF基因，而胎盘等胚外组织有不同程度的LIF表达。因此推测小鼠胚胎着床后LIF基因暂停表达可能受母体调控，胚胎内细胞团产生的受体与胎盘产生的LIF发生作用支持胚胎妊娠促进早期胚胎发育。

2004年Daheron等人研究发现加入hLIF后，人胚胎干细胞内表达LIFR、gp130和STAT3并且STAT3被磷酸化，但人胚胎干细胞的未分化状态并不能决定STAT3是否被激活及其在核内的定位，说明该途径不足以维持人胚胎干细胞的未分化状态。有学者采用表达序列标签( EST)的方法表明，LIF途径的负性调控子SCOS基因、STAT1和STAT3在hESC内的表达均无上调，经流式细胞仪检测人胚胎干细胞内gp130低水平表达，提示LIF/gp130途径在人胚胎干细胞内未被激活，STAT3可能被其他信号调控。STAT3参与了胚胎干细胞中LIF的转录调控，说明其可能是该信号通路中的主要靶分子，参与维持胚胎干细胞的自我更新。近期研究表明，STAT3可直接作用于下游的靶基因，如激活Myc基因的转录，同时抑制Myc蛋白T58的磷酸化，从而使胚胎干细胞中Myc的活性增高以维持胚胎干细胞不分化状态。

人的c-Myc基因参与细胞增殖和生长。在鼠胚胎干细胞中，STAT3直接调控靶基因c-Myc，在培养液中撤去白血病抑制因子后，c-Myc mRNA表达下降，c-Myc蛋白被GSK3β磷酸化并降解。过量表达持续活化形式c-Myc的mESCs，在撤去白血病抑制因子后仍维持了自我更新和细胞全能性;而c-Myc功能缺失后，鼠胚胎干细胞失去全能性并开始分化为中胚层和原始内胚层细胞。

白血病抑制因子并非孤立地发挥作用，在血清中骨形成蛋白( bone morphogenetic proteins，BMP)可能发挥了维持胚胎干细胞多能性的作用。BMPs属于转化生长因子-β( transforming growth factor beta，TGFβ)家族，它们在细胞增殖、分化和凋亡过程中起非常重要的调控作用。BMP蛋白家族成员多达20多种，其受体有2种类型:Ⅰ型( Alk2，Alk3和Alk6)和Ⅱ型( BmprⅡ) 2个磷酸化的R-Smads和1个Smad4形成1个异三聚体。在胚胎干细胞内单独加入BMP能强烈地诱导中胚层的分化，促进胚胎干细胞向非神经方向分化。实验表明，小鼠胚胎干细胞在仅有LIF的无血清培养液中无法维持未分化的状态，BMP能够与LIF协同作用维持胚胎干细胞的未分化状态，推测可能的机制是LIF/gp130/Stat3信号通路阻碍了ES细胞向中胚层和内胚层的分化，同时BMP /Smad信号通路通过结合到分化抑制因子Id2( inhibitor of differentiation 2)基因上，阻碍ES细胞分化成为神经外胚层细胞系。此外，BMP信号通路在TA激酶1( TGFh1 activated tyrosine kinase 1，TAK1)的调节作用下能够激活MAPK( mitogen activated protein kinase)信号通路。但是TAK1调节BMP的分子机制仍不清楚。一些研究表明，TAK1结合蛋白( TAK1binding proteins: TAB1，TAB2 and TAB3)和X-连锁细胞凋亡抑制剂( X-linked inhibitor of apoptosis，XIAP)可能参与了这一过程。

Foxd3是一种与维持胚胎干细胞全能性相关的因子。Foxd3是转录调节因子forkhead家族成员之一，在小鼠胚胎干细胞、小鼠早期胚胎的外胚层及之后的神经嵴细胞中都能检测到Foxd3基因的表达。研究表明Foxd3-突变的小鼠囊胚似乎表型正常，也表达Oct-4等基因，但Foxd3-胚胎大约在小鼠交配后6. 5天胚胎植入后死亡，而且胚胎中缺失了外胚层细胞。异源嵌合体研究揭示Foxd3的功能对外胚层的发育是必需的。研究同时还表明不能建Foxd3-ES细胞系或产生Foxd3-畸胎瘤。Hanna和Foreman等在试验中发现Foxd3-胚胎上胚层细胞无致瘤性，可见Foxd3-胚胎的上胚层细胞不具备野生型胚胎上胚层细胞的多能性。他们又从Foxd3-胚胎中分离内细胞团细胞试图在体外建立胚胎干细胞系，但未获得Foxd3-胚胎干细胞系。这些结果提示Foxd3是维持小鼠早期胚胎中的胚胎细胞全能性所必需的因子。

Pem基因一般只在植入前胚胎、植入后的某些组织中表达。有学者将Pem基因导入胚胎干细胞，发现Pem基因表达的增强可以阻断胚胎干细胞在体外和体内的分化。另一个相关的因子是细胞核因子受体，它可特异性结合Oct-4的近端启动子并抑制Oct-4基因，最终使Oct-4表达只发生在生殖细胞中。细胞因子信号传送阻抑物( suppressor of cytokine signaling，SOCS3)是转录因子Stat3信号通路的一个抑制因子，它的缺陷引起胚胎死亡，而在滋养外胚层干细胞中增强SOCS3表达可以抑制分化。最近报道dppa3可能参与维持鼠胚胎干细胞的自我更新，是一个胚胎干细胞的标志分子。