人类诱导多能干细胞在特定条件下通过调控因子鉴定启动减数分裂的机制研究

研究人员针对人类减数分裂缺乏体外模型的难题，通过筛选调控因子组合，开发了从hiPSCs直接诱导减数分裂的15天快速方案。该研究结合DNMT1抑制、视黄酸信号激活及BCL2、HOXB5/BOLL/MEIOC过表达，成功获得表达减数分裂标记基因（如SYCP3、REC8）的细胞，并观察到染色体轴形成和联会等关键特征。该模型为研究人类生殖障碍和开发不孕症疗法提供了新工具，发表于《Science Advances》。

　　

在人类生殖生物学领域，减数分裂作为配子形成的核心过程，其机制研究长期受限于伦理约束和样本获取难度。现有体外模型多依赖小鼠细胞或耗时120天的类原始生殖细胞(PGCs)分化流程，且无法完整重现人类减数分裂特征。更棘手的是，既往尝试诱导人类诱导多能干细胞(hiPSCs)进入减数分裂的研究，常面临SYCP3表达异常、DNA甲基化擦除不彻底等问题，导致学界对"金标准"的达成始终存疑。

为突破这一瓶颈，研究人员开发了一套创新方案。通过系统性筛选78个候选调控因子，发现DNMT1抑制剂(GSK3484862)联合视黄酸受体激动剂(AM580)可快速擦除基因组甲基化（包括印记控制区）。结合抗凋亡因子BCL2与促减数分裂因子(HOXB5/BOLL/MEIOC)的过表达，仅需15天即可从hiPSCs直接诱导出减数分裂细胞，绕过了传统PGC样细胞阶段。单细胞多组学分析显示，16-22%的细胞具有与体内减数分裂卵原细胞相似的转录组特征，表达所有联会复合体(SC)组分和重组 machinery。

关键技术包括：1) 构建DDX4-tdTomato/SYCP3-mGreenLantern双报告系统用于筛选；2) 单细胞RNA测序(scRNA-seq)结合条形码捕获技术鉴定调控因子；3) 低温和34°C培养条件优化；4) 甲基化测序(Methyl-seq)监测全基因组表观遗传重编程；5) 活细胞成像观察SIX6OS1-mStayGold报告基因动态。

Barcode enrichment筛选鉴定调控因子

通过分析人类胎儿性腺单细胞图谱，选定REC8(前减数分裂标记)和SYCP3(减数分裂标记)作为报告基因。在7天诱导筛选中，BCL2、HOXB5和myr-AKT1显著激活REC8，而DNMT1抑制使SYCP3表达提升4倍。

scRNA-seq筛选鉴定减数分裂细胞

在646,493个细胞中，1,276个(预期20个)表现出19个减数分裂特征基因的高表达。BOLL、MEIOC等因子在减数分裂细胞中显著富集，而STRA8过表达反而抑制减数分裂进程。

DNA去甲基化与减数分裂启动

甲基化测序显示，hiPSCs的80%甲基化水平在2天内降至27-34%，印记控制区从84%降至14%。DDX4⁺细胞在减数分裂基因启动子(如SPO11)呈现特异性低甲基化。

减数分裂进程的时空特征

免疫荧光显示：第6天出现REC8⁺前减数分裂细胞；第9-13天形成HORMAD1⁺SYCP3⁺γH2AX⁺的偶线期细胞；约0.9%细胞呈现粗线期样特征，包括男性细胞的性体(sex body)形成。染色体铺片证实了轴形成和MSH4/DMC1重组焦点，但完全联会罕见。

活细胞成像突破

SIX6OS1-mStayGold报告系统首次在活人细胞中捕捉到联会动态：初期定位于胞质，后期与SYCE1共定位形成核内纤维，印证了联会复合体中央元件组装。

这项发表于《Science Advances》的研究，建立了首个人类减数分裂的化学限定条件诱导体系。其重要意义在于：1) 为不孕症机制研究提供可扩展模型；2) 揭示HOXB5等新调控因子；3) 证实DNA去甲基化不足可能是体外减数分裂效率低下的关键限制因素。尽管在粗线期阻滞和完全联会方面仍有局限，该模型已能模拟减数分裂I期核心事件，为生殖医学研究开辟了新途径。未来结合卵巢类器官培养或可进一步提升效率，潜在应用于基因编辑配子生产和男性避孕药筛选等领域。