Cell子刊:再创生命奇迹!科学家利用多能干细胞成功培育人造精子,可生育健康后代

导读:研究人员通过小鼠多能干细胞分化出了有功能的精子,并且用这些精子给雌鼠授精,成功诞生了健康、有生育能力的后代,为在试管中产生男性生殖细胞提供了迄今为止最全面的模型。

  人类生育力下降,已经成为越来越严重的社会问题。相关数据显示,全球不孕不育患病率从1997年的11.0%上升到了2017年的15.0%,根据推算,在人口增速放缓的当下,到2023年时,在不足7亿的育龄人口中,预计将有超过1.12亿人面临不孕不育。中国育龄夫妇的不孕不育率从20年前的2.5%-3%攀升到近年18%左右,不孕不育夫妻约有6000万对。随着环境污染、生育年龄推迟、生活压力等原因,不孕不育夫妇人数还在不断增加。

  生育危机的到来,让更多科学家瞄准生育问题,希望能够借助更多科学手段缓解这一难题。近日,日本京都大学的研究人员在 Cell 子刊 《Cell Stem Cell 》上发表了题为“In vitro reconstitution of the whole male germ-cell development from mouse pluripotent stem cells ”的研究文章,研究人员通过小鼠多能干细胞分化出了有功能的精子,并且用这些精子给雌鼠授精,成功诞生了健康、有生育能力的后代。研究人员表示,这为在试管中产生男性生殖细胞提供了迄今为止最全面的模型。

  多能干细胞(Pluripotent Stem Cells)是一类具有自我更新、自我复制能力的多潜能细胞,它不仅可以帮助我们理解人类发育过程中的复杂事件,更重要的是,它在器官再生、修复和疾病治疗方面极具应用价值。此前,国内外都已经拥有了利用干细胞培育人造精子的案例,但是,很少有研究会考虑培育阶段的关键生理过程,而此次发表的研究,则填补了这一空白,以一种忠实于发育和生理学的方式在体外重建了男性生殖细胞发育过程。

  男性生殖细胞发育包括三个不同的阶段:第一阶段开始于原始生殖细胞(PGC)的规范化,并通过表观遗传重编程将其分化为生殖细胞;第二阶段涉及男性的性别决定以及随后的精原细胞/精原干细胞(SSC)的分化,这一阶段将同时获得雄激素表观基因组;第三阶段是精原细胞/精原干细胞的精子生成阶段,通过减数分裂和精子生成产生单倍体精子。

  研究人员模拟了这一自然发育阶段来培育人造精子:首先,将干细胞分化为原始生殖细胞;然后分化为精原细胞;最后分化为精子。其中,第二阶段面临的挑战最大,先前建立的小鼠精原干细胞制造方法所需的培养时间长,比在体内分化慢一周左右,并且生成精子的效率较低,不到20%,因此,研究团队决定对这一分化过程进行优化。

  (图注:在小鼠模型中体外重建雄性生殖细胞发育流程图)

  针对第二阶段,研究人员建立了一种“重建睾丸新方法”(new reconstituted testis method),改进中间培养液,以气相-液相培养法制造出雄性生殖细胞。他们在8种不同的条件下测试了10000多个细胞。幸运的是,分化得到的精原干细胞与小鼠睾丸中的细胞有许多共同的特性,包括关键基因的表达、表观遗传学以及逆转录转座子的瞬时上调。

  为了证实分化得到的精原干细胞与体内产生的相同,研究人员将这些精原干细胞注入到小鼠睾丸,让它们发育成精子细胞,然后收集这些精子并注射到卵子中形成胚胎。这些胚胎最终帮助小鼠成功产下健康、可育的后代。

  此次的研究,向我们真实再现了雄性生殖细胞发育的第二阶段,同时也表明了将小鼠多能干细胞分化为精原细胞样细胞和健康精子的可行性,而这一试验下的培育过程,让多能干细胞分化出的精原细胞在体内和体外均具有强大的生精功能。随着生物技术的进一步迭代,体外配子形成研究将成为促进基本生殖细胞生物学和创造新医学应用的基础。希望这一技术研究能够带来更快速的进展,为更多群体谋福音。

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来源于:生物探索网

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  人类生育力下降,已经成为越来越严重的社会问题。相关数据显示,全球不孕不育患病率从1997年的11.0%上升到了2017年的15.0%,根据推算,在人口增速放缓的当下,到2023年时,在不足7亿的育龄人口中,预计将有超过1.12亿人面临不孕不育。中国育龄夫妇的不孕不育率从20年前的2.5%-3%攀升到近年18%左右,不孕不育夫妻约有6000万对。随着环境污染、生育年龄推迟、生活压力等原因,不孕不育夫妇人数还在不断增加。

  生育危机的到来,让更多科学家瞄准生育问题,希望能够借助更多科学手段缓解这一难题。近日,日本京都大学的研究人员在 Cell 子刊 《Cell Stem Cell 》上发表了题为“In vitro reconstitution of the whole male germ-cell development from mouse pluripotent stem cells ”的研究文章,研究人员通过小鼠多能干细胞分化出了有功能的精子,并且用这些精子给雌鼠授精,成功诞生了健康、有生育能力的后代。研究人员表示,这为在试管中产生男性生殖细胞提供了迄今为止最全面的模型。

  多能干细胞(Pluripotent Stem Cells)是一类具有自我更新、自我复制能力的多潜能细胞,它不仅可以帮助我们理解人类发育过程中的复杂事件,更重要的是,它在器官再生、修复和疾病治疗方面极具应用价值。此前,国内外都已经拥有了利用干细胞培育人造精子的案例,但是,很少有研究会考虑培育阶段的关键生理过程,而此次发表的研究,则填补了这一空白,以一种忠实于发育和生理学的方式在体外重建了男性生殖细胞发育过程。

  男性生殖细胞发育包括三个不同的阶段:第一阶段开始于原始生殖细胞(PGC)的规范化,并通过表观遗传重编程将其分化为生殖细胞;第二阶段涉及男性的性别决定以及随后的精原细胞/精原干细胞(SSC)的分化,这一阶段将同时获得雄激素表观基因组;第三阶段是精原细胞/精原干细胞的精子生成阶段,通过减数分裂和精子生成产生单倍体精子。

  研究人员模拟了这一自然发育阶段来培育人造精子:首先,将干细胞分化为原始生殖细胞;然后分化为精原细胞;最后分化为精子。其中,第二阶段面临的挑战最大,先前建立的小鼠精原干细胞制造方法所需的培养时间长,比在体内分化慢一周左右,并且生成精子的效率较低,不到20%,因此,研究团队决定对这一分化过程进行优化。

  (图注:在小鼠模型中体外重建雄性生殖细胞发育流程图)

  针对第二阶段,研究人员建立了一种“重建睾丸新方法”(new reconstituted testis method),改进中间培养液,以气相-液相培养法制造出雄性生殖细胞。他们在8种不同的条件下测试了10000多个细胞。幸运的是,分化得到的精原干细胞与小鼠睾丸中的细胞有许多共同的特性,包括关键基因的表达、表观遗传学以及逆转录转座子的瞬时上调。

  为了证实分化得到的精原干细胞与体内产生的相同,研究人员将这些精原干细胞注入到小鼠睾丸,让它们发育成精子细胞,然后收集这些精子并注射到卵子中形成胚胎。这些胚胎最终帮助小鼠成功产下健康、可育的后代。

  此次的研究,向我们真实再现了雄性生殖细胞发育的第二阶段,同时也表明了将小鼠多能干细胞分化为精原细胞样细胞和健康精子的可行性,而这一试验下的培育过程,让多能干细胞分化出的精原细胞在体内和体外均具有强大的生精功能。随着生物技术的进一步迭代,体外配子形成研究将成为促进基本生殖细胞生物学和创造新医学应用的基础。希望这一技术研究能够带来更快速的进展,为更多群体谋福音。