Cell Stem Cell:从多能干细胞成功生成精子

【字体: 时间:2021年09月15日 来源:生物通

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  日本京都大学领导的一项新研究表明,小鼠多能干细胞可以分化成有功能的精子。目前已经利用这些精子成功培育出有生育能力的健康后代。

  

对于有性繁殖的物种,只有雄性的精子与雌性的卵子结合,才能产生后代。即使是人工受精技术,也依赖于这两种细胞的供体。不过,日本京都大学领导的一项新研究表明,小鼠多能干细胞可以分化成有功能的精子。目前已经利用这些精子成功培育出有生育能力的健康后代。

多能干细胞的出现,让科学家能够研究人体中的每种细胞是如何形成的。目前,人们已经从干细胞生成了多种类型的细胞,包括脑细胞、心脏细胞和肝脏细胞等,并作为实验性细胞疗法应用于患者。然而,一些类型的细胞仍难以用多能干细胞生成,特别是精子细胞。

在所有的细胞类型中,生殖细胞是独一无二的,原因有很多。首先,与携带46条染色体的其他细胞不同,生殖细胞只有23条染色体,卵子的所有染色体来自母亲,而精子的所有染色体来自父亲。

此外,根据京都大学人类生物学高级研究所主任Mitinori Saitou的说法,它们是父母实际传递给后代的唯一细胞,这使它们成为物种维持和进化的驱动力。

科学家目前已经在从多能干细胞生成精子细胞方面取得了重大进展,至少对小鼠来说是这样。这个过程通常分为三个阶段。首先,干细胞分化为原始生殖细胞,然后分化为精原干细胞(这个时候确定男性性别),最后分化为精子。

精原干细胞使男性终生都能够产生精子,但事实证明,在实验室中,第二阶段是最难重现的。不过,只是有难度,并非不可能。小鼠精原干细胞可以生成,但效率太低。

因此,第一作者Yukiko Ishikura博士认为,需要优化分化过程。“分化速度比小鼠体内慢大约一周,而且精原干细胞生成精子的效率也很低,”她说。

Ishikura及其同事从小鼠多能干细胞开始制备原始生殖细胞,并检查了在8种不同条件下生成的10000多个细胞。

为了验证生成精原干细胞的最佳条件,他们证实了这些细胞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,以及逆转录转座子的瞬时上调,这一点特别出乎Saitou的意料。

“它们重新获得了逆转录转座子的控制。逆转录转座子调控是一种通过随机重复调控来控制逆转录转座子对关键基因影响的机制,”他说。

相同的表观遗传学也至关重要。尽管基因是由DNA组成的,但它们的表达取决于DNA甲基化等表观遗传因素。生殖细胞在发育过程中表现出不同的DNA甲基化模式,这种模式被认为对其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产生的细胞相同,研究人员将人工产生的精原干细胞注射到小鼠睾丸中,细胞将在那里发育成精子细胞。之后他们收集精子并注射到卵子中以培育胚胎,并用这些胚胎来让小鼠受孕。小鼠随后产下了有生育能力的健康后代。

这项研究全面重建了从多能干细胞开始生成雄性生殖细胞的发育过程。“这是第一项在体外利用小鼠多能干细胞重建功能性精子的研究。这为雄性生殖细胞的分化提供了新的可能性,”Saitou说。

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Yukiko Ishikura, Hiroshi Ohta, 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

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