基于可编程刚度DNA水凝胶调控雌性生殖干细胞命运的关键机制研究

本研究针对雌性生殖干细胞(FGSCs)体外培养中干性维持与休眠-激活转换调控难题，开发了具有独立刚度编程能力的DNA水凝胶人工细胞外基质。通过分级DNA交联策略实现力学特性精确调控，发现270 Pa软凝胶可维持FGSCs休眠状态，释放后通过YAP信号通路恢复增殖活性，并首次证实经该体系处理的鼠源FGSCs能发育为健康后代。这项发表于《Cell Biomaterials》的工作为生殖医学提供了革命性的生物材料平台。

　　

在生殖生物学领域，雌性生殖干细胞(Female Germline Stem Cells, FGSCs)的发现颠覆了"雌性哺乳动物出生后不再产生卵母细胞"的传统认知。这类具有 postnatal oogenesis(出生后卵子发生)能力的干细胞为不孕症治疗和生殖系统修复带来希望，但其临床应用面临关键瓶颈：常规2D培养体系难以模拟天然卵巢组织的力学微环境，导致FGSCs干性丢失；而动物来源的基质胶(Matrigel)存在成分不可控、批次差异大等问题。如何建立化学成分明确、力学特性可精确调控的人工细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)，成为推动FGSCs研究从基础走向临床的核心挑战。

上海交通大学化学化工学院/转化医学国家重大科技基础设施(上海)的研究团队创新性地利用DNA纳米技术，开发了具有可编程力学特性的三维培养体系。通过 clamp hybridization chain reaction(C-HCR)构建分级交联网络，首次实现了水凝胶刚度(270-1,130 Pa)与应力松弛速率(t_1/2≈1,360 s)的独立调控。该研究证实基质刚度通过整合素β1(integrin β1)-肌动蛋白(actin)-Yes相关蛋白(YAP)力学信号轴调控FGSCs命运：在1:100核酶比例制备的软凝胶(270 Pa)中，猴源FGSCs维持休眠状态(Ki67⁺细胞<20%)；释放后24小时内即恢复增殖活性(EdU⁺细胞达75%)。更重要的是，经该体系培养的鼠源FGSCs成功发育为具有减数分裂能力的MII期卵母细胞，通过体外受精获得健康后代，首次在合成材料体系中实现FGSCs的全发育周期调控。

关键技术方法包括：1)分级DNA交联水凝胶的理性设计；2)流变学表征与微结构分析；3)猴/鼠双物种FGSCs的3D封装培养；4)YAP信号通路机制验证；5)卵巢类器官培养与胚胎移植。

研究结果揭示：

1. 力学编程策略：通过调控核酶比例(1:100至1:10,000)改变交联层级分布，使水凝胶孔径从3.8μm降至0.7μm，刚度提升4倍而应力松弛特性不变。

2. 刚度依赖的细胞行为：在1:10,000高刚度凝胶(1,130 Pa)中，FGSCs铺展面积增加3倍，增殖标记Ki67⁺细胞达90%；而软凝胶(270 Pa)维持球形形态且ATP水平降低60%。

3. 可逆命运调控：软凝胶封装使细胞周期阻滞于G0/G1期(占比85%)，DNase降解释放后24小时即恢复S/G2/M期(占比65%)，且无凋亡或炎症反应。

4. 机制解析：软凝胶通过抑制integrin β1表达(下降70%)，减少actin聚合和YAP核定位(下降80%)，而Rac抑制剂EHT1864可模拟该效应。

5. 发育潜能验证：经软凝胶处理的鼠源FGSCs产生更多次级卵泡(增加50%)，最终获得GFP⁺健康后代，证实干性完整保留。

这项研究建立了首个化学成分明确、力学特性可编程的FGSCs培养体系，其创新性体现在：1)通过DNA纳米技术实现力学参数的精确解耦调控；2)揭示YAP通路在生殖干细胞力学响应中的核心作用；3)为生殖力保存提供了可临床转化的合成生物学方案。相比传统Matrigel，该DNA水凝胶具有批次稳定性高、无动物源成分、可控降解等优势，不仅为生殖医学研究提供新模式，其"休眠-激活"动态调控策略更为其他成体干细胞研究提供了普适性方法论。未来通过优化DNA序列设计拓展力学调控范围，或将推动人类FGSCs的临床应用进程。