科学:日本科学家利用干细胞诱导生殖细胞 产生健康可育的后代

来源：生物世界2022-04-10 07336046

此次，东京大学利用大鼠多能干细胞成功诱导出功能性原始生殖细胞样细胞(PGCLCs)。将这些PGCLCs移植到没有生殖细胞的大鼠输精管中，可以产生功能性精子，然后产生健康的后代。

东京大学干细胞与再生医学研究中心的研究团队在顶级期刊《科学》上发表了题为“来自大鼠多能干细胞的功能性原始生殖细胞样细胞”的研究文章，并通过不同层面的攻关，在分析早期大鼠生殖系统内部分子机制的基础上，他们此次利用大鼠多能性成功诱导出功能性原始生殖细胞样细胞(PGCLCs)， 并将这些PGCLCs移植到没有生殖细胞的大鼠输精管中，可以产生功能性精子，然后产生健康的后代。

在哺乳动物中，原始生殖细胞(PGCs)，精子和卵子的前体，在前肠胚胎中产生。先前使用转基因小鼠和其他工具的研究揭示了对PGC的命运至关重要的关键信号通路和转录调节因子。然而，早期胚胎发育中少量的PGC限制了对PGC进入特化生殖细胞的具体时间窗的了解。

主要研究内容

胚胎植入后，大鼠囊胚会形成一个卵柱结构，包括一个多能性外胚层，生殖细胞由此产生，类似于小鼠囊胚。因此，研究人员首先测试了建立的小鼠培养条件是否可以用于实现从大鼠多能干细胞(rPSCs)到上皮样细胞(EpiLC)的命运转化。

为了监测从多能状态的转变，他们使用了prd m14-h2b enus标记的大鼠胚胎干细胞(rESCs)，以及prd m14-h2b enus特异性标记的幼稚多能外胚层和ESCs，而不是胚胎植入后形成的外胚层。培养72小时后，染色结果显示prd m14-h2b enus水平下降，OTX2(植入后外胚层标记)和CD47(小鼠外胚层干细胞中上调的质膜标记)水平上升，核心多能因子OCT3/4水平保持稳定。

然后，为了研究培养的大鼠上皮样细胞(rEpiLCs)的全基因表达，他们对rESCs和rEpiLCs的全转录组进行了测序，它们之间的差异分析表明，两组都含有幼稚或致敏的基因。结合上述实验结果，他们证实了Naverecs诱导的球形聚集体中的rEpiLCs在体内植入后再现了外胚层的特征。

接下来，他们在EpiLC培养基中培养分离的resc 48 ~ 72小时以形成聚集体，然后将这些聚集体转移到含有BMP4的PGC样细胞(PGCLCs)培养基中，b MP4是对PGC命运至关重要的细胞因子。在PGCLC培养基中培养2天后，聚集体中的一些细胞开始表达Nanos3(高度保守的生殖细胞标记基因)。

然后，他们在培养的第3天对RPG cls(D3 RPG cls)的转录组进行测序，并将其与rESCs、rEpiLCs、体内大鼠外胚层和rPGCs的转录组进行比较。主成分分析的结果反映了体内和体外外胚层向生殖系统的转化。

在第3天，所有PGC特异性基因和多能基因在rPGCLCs中表达，而晚期PGC标记的表达低于E15.5性腺rPGCs。因此，他们得出结论，诱导的rPGCLCs可能相当于体内rPGCs的迁移期。

由于PGCs在发育过程中经历了广泛的表观遗传重编程，因此也检测到了培养细胞中DNA甲基化和组蛋白甲基化的动态变化。结果表明，培养过程中表观遗传的动态变化与rPGCs在体内的发育密切相关，提示d3 rPGCLCs在体外随着表观遗传重编程的逐步进行而逐渐成熟至性腺阶段。

最后，他们研究了体外诱导的雄性rPGCLCs移植到体内后是否能产生功能性精子。

他们将rPGCLCs移植到完全缺乏内源性生殖细胞的Prdm14敲除新生大鼠的生精小管中。移植后8到11周，他们检测了移植睾丸输精管中示踪基因的表达。同时，他们还在组织切片中观察到圆形精子细胞和成熟精子。这些结果表明rPGCLCs可以在体内完成精子发生和成熟过程。

然后，他们将诱导的圆形精子细胞和成熟精子分别注射到未受精的大鼠卵母细胞中，以验证rPGCLCs来源的睾丸生殖细胞的发育潜力。

足月移植后，分别出生了18只和6只健康的大鼠子代，它们可以发育成可育的正常成年大鼠。因此，这些结果表明体外诱导的rPGCLCs具有产生完全功能性成熟配子的能力。

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