专栏首页科研猫精子再造!日本科学家造出了不需要父亲的小鼠

精子再造!日本科学家造出了不需要父亲的小鼠

目前,脑细胞,心脏细胞和肝细胞等都能利用多功能干细胞制成,然而一些类型的细胞,特别是独特的精子细胞,仍然难以从多能干细胞制成。

然而,在近日的《细胞-干细胞》杂志上,来自京都大学的一支研究团队在干细胞研究领域取得了新突破——他们用小鼠的多能干细胞,在试管中逐步分化出了有活力的精子!这些精子用于给雌鼠授精,成功诞生了健康、有生育能力的后代。目前尚属首次。

研究人员指出,他们建立的方法为在试管中制造雄性生殖细胞提供了迄今为止最完整的范式

在所有细胞类型中,生殖细胞由于许多原因是独特的。首先,与其他细胞(46条染色体)不同,生殖细胞只有23条染色体,卵子的所有染色体来自母亲,而精子的所有染色体来自父亲。

此外,它们是父母真正传递给后代的唯一细胞,根据该研究的作者之一、ASHBi主任斋藤通纪(Mitinori saiitou)的说法,这使其成为“维持和进化一个物种的驱动力。”

本研究通讯作者斋藤通纪教授

在小鼠中,由多能干细胞分化产生雌性生殖细胞(即卵子的产生)的整个过程已在体外完全重建。这篇论文则表明,在小鼠中,完全在体外用小鼠多能干细胞可以分化成有功能的精子。

这一过程通常分为三个模拟自然发育的阶段。首先,干细胞分化为原始生殖细胞,然后分化为精原细胞,这是确定男性性别的过程,最后分化为精子。

精原细胞是让男性一生都能产生精子的细胞,在实验室培养条件下实现第二个阶段最为困难。虽然困难,但并非不可能。

精原干细胞具有干细胞特性,在体内数量不多,但能终身产生精子。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%。

在本篇论文中,这支研究团队优化了诱导精原干细胞所需的条件,并建立了在体外从多功能干细胞到精子的完整产生过程,真实再现了雄性生殖细胞发育的三个阶段

体外从多能干细胞到精子的完整产生过程,与体内精子产生过程相对应

从小鼠多能干细胞开始,Ishikura和同事准备了原始生殖细胞,并使用 “新的重建睾丸方法”,在8种不同的条件下检查了10000多个细胞。

为了验证制造精原细胞的最佳条件,他们证实在关键基因表达、甲基化状态、逆转录转座子控制、细胞周期动力学等多种特性上与小鼠体内产生的精原干细胞十分相似

最为重要的是,这些细胞作为生殖干细胞样细胞(GSCLC)可以长期稳健扩增,分化为精子的效率超过90%

体外精子诱导法培养52天的样本,红色指示生殖干细胞样细胞(GSCLC),绿色指示精子,白色指示细胞核

为了证实精原干细胞的行为与体内产生的相同,研究人员将实验室制造的精原干细胞注入小鼠睾丸,让这些细胞发育成精子细胞。这些精子被收集并注射到卵子中培养胚胎。这些胚胎随后被用于使小鼠受孕,小鼠随后产下健康的后代,这些后代也具有生育能力。

斋藤教授总结说:“这是在试管中从小鼠多能干细胞重建功能性精子的首个研究,为雄性生殖细胞分化开辟了新的可能性。”

参考资料:

[1] Yukiko Ishikura et al., (2021) In vitro reconstitution of the whole male germ-cell development from mouse pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. Doi: https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.08.005

[2] Babies wanted: males need not apply. Retrieved Sep. 8, 2021 from https://ashbi.kyoto-u.ac.jp/news/20210908_research-result_saitou/

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原始发表时间:2021-09-18

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