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    《細胞》子刊:科學家用干細胞培育出可育精子,用這些精子成功授精,誕生健康有生育能力的后代

    發布日期:2021-09-20    作者:昭遠制藥    

    用多能干細胞制造各種各樣的人體細胞,用于治療相關的疾病和補足機體的功能障礙,這是干細胞的理想應用場景。現實中,科學家已經能夠用干細胞制造腦細胞、心肌細胞、肝細胞等細胞,并開始了進一步的臨床探索。


    但在生殖細胞上,干細胞科學家們面臨的難題還很多。


    近期,《細胞·干細胞》雜志發表了一篇來自日本京都大學ASHBi研究所科研團隊的論文,科學家們使用小鼠的多能干細胞在體外生成了有生物活性的精子,培養效率大大超過此前的類似研究。厲害的是,這些精子能夠成功授精,并誕生了健康的有生育能力的后代[1]。


    本研究的通訊作者齋藤通紀稱,這是首個在試管中使用小鼠多能干細胞制造功能性精子的研究,為雄性生殖細胞分化開辟了新的可能[2]。



    精子的發育可以大致分為三個階段:原始生殖細胞(PGC)的分化和由重編程導向的性腺細胞分化;原始生殖細胞發育為精原干細胞;精原干細胞(SSC)產生精子。


    第二階段是科研的難點。京都大學團隊早在2016年就發表過相關的研究,但是當時的實驗結果與精子在體內的自然發育過程相比,分化的效率明顯低得多,不僅耗時更長,培養出的精原干細胞產生精子的能力也很差。


    如果能在這一步提升效率,基本就可以實現完全在體外由多能干細胞產生精子了。所以這次,研究者們重新探索的培養條件,大大提升了培養的效率。


    為了測試培養出的精原干細胞生成精子的能力,研究者們將它們移植到6-8周大的小鼠的睪丸內,并在移植8-10周后分析。這些小鼠本身不能夠產生精子。


    在此前的實驗中,精原干細胞產生精子的能力是比較差的。在15個細胞株中,只有3個能夠產生精子,而且能生成精子的克隆比例也不超過20%。


    但由新條件產生的精原干細胞就“厲害”得多了。16個細胞株中,15個能夠產生精子,生成精子的克隆比例超過80%。


    免疫熒光分析體外培養樣本,紅色標記為精原干細胞,綠色為精子,白色為細胞核


    研究者將這些“人工精子”注射到卵母細胞中制造受精卵,并移植到母鼠體內。結果“人工精子”形成受精卵并發育為子代小鼠的能力與自然發生的精子基本一致。


    研究者們分析了“人工精子”的轉錄組數據,發現它們的蛋白編碼以及反轉錄轉座子的轉錄水平都與正常體內發育的精子類似。


    不過研究者們認為轉錄組本身與預測“人工精子”產生潛力沒有決定性的關系。相對來說,精原細胞分化的DNA甲基化水平更加重要。


    當然,甲基化組數據同樣與自然發生的精子基本相似,研究者認為啟動子甲基化譜可以作為精原干細胞生精潛能的預測參數。


    研究者還嘗試了在體外培養注射了精原干細胞的睪丸組織,同樣成功產生了精子并孕育了后代。



    研究者們認為,這項研究為在試管中生成雄性生殖細胞提供了迄今為止最全面的模型。


    當然,在優化過的培養條件下產生的精原干細胞仍舊存在一些表觀遺傳差異,體外生精的遺傳和表觀遺傳特性也有待進一步研究。未來的研究需要進一步對“人工精子”產生的后代進行探究,包括實驗動物的遺傳特性、行為、代謝特征、壽命、疾病易感性等等。




    參考資料:

    [1]https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(21)00342-8

    [2]https://medicalxpress.com/news/2021-09-spermatogonia-stem-cells.html

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