Cell Stem Cell：科学家成功制造出了雄性精原干细胞

2021年9月13日 讯 /生物谷BIOON/ --哺乳动物的雄性生殖细胞的发育包括三个不同阶段，即原始生殖细胞（PGC，primordial germ cell）的发育、雄性生殖细胞对精原细胞发育的规范化以及随后的精子发生过程。对于依赖有性繁殖的物种（包括小鼠和男性），只有当来自雄性的精子使得来自雌性的卵子受精时才可能会产生后代；即使是人工授精技术也依赖于这两种细胞的供体。近日，一篇发表在国际杂志Cell Stem Cell上题为“In vitro reconstitution of the whole male germ-cell development from mouse pluripotent stem cells”的研究报告中，来自日本京都大学等机构的科学家们通过研究发现，小鼠机体的多能干细胞或能分化为功能性的精子，这些精子能被成功用于产生健康、可生育的后代，此外本文研究还提供了迄今为止能在试管中生成男性生殖细胞的最全面的模型。

图片来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1934590921003428?via%3Dihub

多能干细胞能让科学家们研究机体中的每一个细胞是如何形成的，大脑细胞、心脏细胞和肝脏细胞只是由这些干细胞所产生的细胞类型的一些例子，如今其正在作为实验性的细胞疗法在人类患者机体中运用，然而，有些细胞类型很难通过多能干细胞来制备，尤其是精子细胞。在所有细胞类型中，生殖细胞之所以独特，有很多原因，首先，与其它携带46条染色体的细胞不同，生殖细胞仅有23条染色体，卵子的所有染色体来自于母体，而精子的所有染色体则来自父亲。此外，其是父母真正传递给后代的唯一细胞，这或许就使其成为了维持和进化物种的驱动力。

尽管后期研究人员还需要进行更多研究，但如今他们在如何使用多能干细胞来制造精子细胞上已经取得了重大的进展，至少对于小鼠而言是这样的，该过程一般分为三个阶段，其能模仿自然的发育过程，首先，干细胞会分化为原始生殖细胞，其次再分化为精原干细胞，这是男性性别被确定的时候，最后就是分化为精子。精原干细胞能让男性最终产生精子，但事实表明，第二阶段在实验室中很难重新创造出来；虽然该过程非常困难，但并非不可能实现，小鼠的精原干细胞能被制造出来，但效率很低，这就是为何研究人员需要对该过程进行优化的原因了。研究者Yukiko Ishikura博士表示，其分化速率在小鼠机体中要慢一周左右，而且精原干细胞对精子生成的贡献很低。

从小鼠多能干细胞开始，研究人员准备了原始生殖细胞并在8种不同的条件下使用所谓的新型重组睾丸方法（new reconstituted testis method）检查了超过一万多个原始生殖细胞。为了验证制造精原干细胞的最佳条件，研究人员证实，这些细胞能与小鼠睾丸中的细胞有几个共同的特征，包括关键基因的表达、表观遗传学特性以及逆转录子的瞬时上调。逆转录转座子（Retrotransposon）的控制能被重新捕获，研究者表示，逆转录转座子的调节是一种特殊的机制，其能通过随机重复调节作用来控制逆转录转座子对关键基因表达的影响效应。

免疫荧光分析。

图片来源：Takuya Sato, an assistant professor at Yokohama City University

相同的表观遗传学也很重要，虽然基因是由DNA所组成的，但其表达却依赖于诸如DNA甲基化等表观遗传学因子，生殖细胞在其发育过程中显示出了不同于DNA甲基化的模式，这些模式对于个体产生后代的能力至关重要。为了证实精原干细胞的行为与体内所产生的精原细胞一样，研究人员将实验室制造的精原干细胞注射到了小鼠睾丸中，从而让细胞发育为精子细胞，这些精子能被收获并注射到卵子中从而培育出胚胎，然而，这些胚胎能被用来让小鼠受孕，从而就能生下健康且能生育的后代。

本文研究结果提供了迄今为止从多能干细胞开始的最全面的男性生殖细胞发育的重建过程；本文研究也是首次科学家们在试管中利用小鼠机体的多能干细胞来重建功能性的精子，这就为男性精子细胞的分化提供了新的可能性。综上，本文研究结果表明，通过再现雄性生殖细胞发育的三个阶段，研究人员或许就为多能干细胞的体外雄性配子发生创造一种新的范式。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Yukiko Ishikura，Hiroshi Ohta，Takuya Sato, et al. In vitro reconstitution of the whole male germ-cell development from mouse pluripotent stem cells, Cell Stem Cell (2021). DOI:10.1016/j.stem.2021.08.005