用干細胞培育精子 日本科學家造出了不需要父親的小鼠

在干細胞研究領域,來自日本的科學家扮演了重要的角色。2012年,京都大學的山中伸彌教授因為在誘導多能幹細胞(iPSC)方面做出的貢獻,與John B。 Gurdon教授共享了當年的諾貝爾生理學或醫學獎

在近日的《細胞-干細胞》雜誌上,同樣來自京都大學的一支研究團隊在干細胞研究領域取得了新突破——他們用小鼠的多能幹細胞,在試管中逐步分化出了有活力的精子!這些精子用於給雌鼠授精,成功誕生了健康、有生育能力的後代

研究人員指出,他們建立的方法在試管中製造雄性生殖細胞提供了迄今為止最完整的範式

用干細胞培育精子 日本科學家造出了不需要父親的小鼠

研究人員介紹,在試管中從多能幹細胞誘導生殖細胞的嘗試已經進行了四分之一個世紀。盡管科學家們可以誘導多能幹細胞產生心臟細胞、肝細胞、腦細胞等諸多類型的細胞,並用於實驗性療法,然而生殖細胞的特殊性帶來了巨大的挑戰。

生殖細胞攜帶的染色體只有其他細胞的一半,細胞減數分裂的過程賦予了生殖細胞的多樣性。而且,來自母親的卵子和來自父親的精子是父母全身細胞中傳給下一代的唯一細胞。這意味著,「精子和卵子是一個物種維持和進化的驅動力。」研究負責人齋藤通紀(Mitinori Saitou)教授說。

用干細胞培育精子 日本科學家造出了不需要父親的小鼠

在小鼠中,由多能幹細胞分化產生雌性生殖細胞(即卵子的產生)的整個過程已在體外完全重建。這篇論文則表明,在小鼠中,完全在體外用干細胞製造精子也是可行的

模擬自然發育,從干細胞產生精子的全過程由三個階段組成。第一階段是製造原始生殖細胞(PGCLC);第二階段原始生殖細胞確定性別,發育為雄性生殖細胞,也就是精原干細胞;最後產生精子。

在實驗室培養條件下實現第二個階段最為困難。精原干細胞具有干細胞特性,在體內數量不多,但能終身產生精子。先前建立的小鼠精原干細胞製造方法所需的培養時間長,比在體內分化慢一周左右,並且生成精子的效率較低,不到20%。

在本篇論文中,這支研究團隊優化了誘導精原干細胞所需的條件,並建立了在體外從多功能幹細胞到精子的完整產生過程,真實再現了雄性生殖細胞發育的三個階段

用干細胞培育精子 日本科學家造出了不需要父親的小鼠

研究小組首先用小鼠胚胎干細胞(mESC)誘導產生原始生殖細胞樣細胞(mPGCLC),並將其培養至DNA甲基化水平呈初始化狀態。

然後,研究人員建立了一種「重建睪丸新方法」(new reconstituted testis method),改進中間培養液,以氣相-液相培養法製造出雄性生殖細胞。他們檢查了10000多個原始生殖細胞樣細胞在分化過程的中間狀態。最終獲得的精原細胞樣細胞,在關鍵基因表達、甲基化狀態、逆轉錄轉座子控制、細胞周期動力學等多種特性上與小鼠體內產生的精原干細胞十分相似

最為重要的是,這些細胞作為生殖干細胞樣細胞(GSCLC)可以長期穩健擴增,分化為精子的效率超過90%

用干細胞培育精子 日本科學家造出了不需要父親的小鼠

最後,利用體外精子誘導的方法,研究人員繼續從生殖干細胞樣細胞成功誘導出有功能的精子。研究人員將這些精子注射到小鼠的卵子中,獲得的受精卵順利發育,誕生了健康的小鼠。這些由干細胞體外培育的精子製造出的小鼠,長大後的生育能力與普通小鼠無異,能夠正常產生下一代。

齋藤教授總結說:「這是在試管中從小鼠多能幹細胞重建功能性精子的首個研究,為雄性生殖細胞分化開辟了新的可能性。」

來源:cnBeta