《细胞》子刊:科学家用干细胞培育出可育精子,用这些精子成功授精,诞生健康有生育能力的后代

时间:2021-09-20 来源:

用多能干细胞制造各种各样的人体细胞,用于治疗相关的疾病和补足机体的功能障碍,这是干细胞的理想应用场景。现实中,科学家已经能够用干细胞制造脑细胞、心肌细胞、肝细胞等细胞,并开始了进一步的临床探索。


但在生殖细胞上,干细胞科学家们面临的难题还很多。


近期,《细胞·干细胞》杂志发表了一篇来自日本京都大学ASHBi研究所科研团队的论文,科学家们使用小鼠的多能干细胞在体外生成了有生物活性的精子,培养效率大大超过此前的类似研究。厉害的是,这些精子能够成功授精,并诞生了健康的有生育能力的后代[1]。


本研究的通讯作者斋藤通纪称,这是首个在试管中使用小鼠多能干细胞制造功能性精子的研究,为雄性生殖细胞分化开辟了新的可能[2]。



精子的发育可以大致分为三个阶段:原始生殖细胞(PGC)的分化和由重编程导向的性腺细胞分化;原始生殖细胞发育为精原干细胞;精原干细胞(SSC)产生精子。


第二阶段是科研的难点。京都大学团队早在2016年就发表过相关的研究,但是当时的实验结果与精子在体内的自然发育过程相比,分化的效率明显低得多,不仅耗时更长,培养出的精原干细胞产生精子的能力也很差。


如果能在这一步提升效率,基本就可以实现完全在体外由多能干细胞产生精子了。所以这次,研究者们重新探索的培养条件,大大提升了培养的效率。


为了测试培养出的精原干细胞生成精子的能力,研究者们将它们移植到6-8周大的小鼠的睾丸内,并在移植8-10周后分析。这些小鼠本身不能够产生精子。


在此前的实验中,精原干细胞产生精子的能力是比较差的。在15个细胞株中,只有3个能够产生精子,而且能生成精子的克隆比例也不超过20%。


但由新条件产生的精原干细胞就“厉害”得多了。16个细胞株中,15个能够产生精子,生成精子的克隆比例超过80%。


免疫荧光分析体外培养样本,红色标记为精原干细胞,绿色为精子,白色为细胞核


研究者将这些“人工精子”注射到卵母细胞中制造受精卵,并移植到母鼠体内。结果“人工精子”形成受精卵并发育为子代小鼠的能力与自然发生的精子基本一致。


研究者们分析了“人工精子”的转录组数据,发现它们的蛋白编码以及反转录转座子的转录水平都与正常体内发育的精子类似。


不过研究者们认为转录组本身与预测“人工精子”产生潜力没有决定性的关系。相对来说,精原细胞分化的DNA甲基化水平更加重要。


当然,甲基化组数据同样与自然发生的精子基本相似,研究者认为启动子甲基化谱可以作为精原干细胞生精潜能的预测参数。


研究者还尝试了在体外培养注射了精原干细胞的睾丸组织,同样成功产生了精子并孕育了后代。



研究者们认为,这项研究为在试管中生成雄性生殖细胞提供了迄今为止最全面的模型。


当然,在优化过的培养条件下产生的精原干细胞仍旧存在一些表观遗传差异,体外生精的遗传和表观遗传特性也有待进一步研究。未来的研究需要进一步对“人工精子”产生的后代进行探究,包括实验动物的遗传特性、行为、代谢特征、寿命、疾病易感性等等。




参考资料:

[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


精加力- 备战试管 - 为爱冲刺 精加力- 备战试管 - 为爱冲刺