來源：生物通

日本科學家利用干細胞來誘導生殖細胞，從而產生健康且可生育的后代。

不久前，日本京都大學(Kyoto University)的研究人員在《細胞干細胞》(Cell Stem Cell)雜志上發表了一篇研究論文，稱他們利用小鼠多能干細胞在試管中逐漸分化成有功能的精子。

而且，這些精子被成功地用于給雌鼠授精，并成功地產下了健康、可育的后代。這為在試管中產生雄性生殖細胞提供了一個全面的范例和模型。?

然而，除了小鼠，到目前為止，在附近的其他哺乳動物中還沒有類似的報告。

2022年4月7日，東京大學干細胞與再生醫學研究中心科研團隊在頂級期刊《Science》上發表了題為《從多能干細胞中提取的功能性原始生殖細胞樣細胞》的研究文章。

在前期對大鼠生殖細胞發育的分子機制分析的基礎上，他們成功地利用大鼠多能干細胞誘導功能性原始生殖細胞樣細胞(PGCLCs)，并將這些原始生殖細胞樣細胞移植到無菌細胞中。

在大鼠的輸精管中，可以產生功能性精子，從而產生健康的后代。

在哺乳動物中，原始生殖細胞(PGCs)，精子和卵子的前體，產生于前腸胚胎。先前使用轉基因小鼠等工具的研究已經揭示了對PGCs命運決定至關重要的關鍵信號通路和轉錄調節因子。

然而，在早期胚胎發育中的PGCs數量相對較少，這限制了該領域對其進入特殊生殖細胞的特定時間窗口的理解。

胚胎植入后，大鼠胚泡形成一個包含多能外胚層的卵囊結構，胚泡由外胚層產生生殖細胞，與小鼠胚泡相似。因此，研究人員首先測試了大鼠多能干細胞(rPSCs)向上皮樣細胞(EpiLC)的命運轉換是否可以在之前建立的小鼠培養條件下實現。

為了監測從多能狀態的轉變，他們使用Prdm14-H2BVenus標記的大鼠胚胎干細胞(rESCs)，這是幼稚多能外胚層和ESCs的Prdm14-H2BVenus標記物，但不是胚胎植入后形成的外胚層。

培養72小時后，染色顯示Prdm14-H2BVenus水平下降，OTX2(植入后外胚層的標記物)和CD47(小鼠外胚層干細胞中上調的質膜標記物)水平升高，核心多能因子OCT3/4水平保持穩定。

隨后，為了研究培養后產生的大鼠上皮樣細胞(rat epithelial - oid cells, rEpiLCs)的整體基因表達，他們對rESCs和rEpiLCs進行了全轉錄組測序，兩者的差異分析顯示，兩組均含有幼稚或primed細胞。

兩個狀態相關基因。結合上述實驗結果，他們證實了幼稚-rESCs在體內再現了植入后外胚層的特征。

接下來，他們使用分離的RESC在EpiLC培養基中培養48-72小時以形成聚集體，然后將聚集體轉移到含有BMP4的PGC樣細胞（PGCLC）培養基中，BMP4是影響PGC命運的重要細胞因子。

在PGCLC培養基中培養2天后，聚集體中的一部分細胞開始表達高度保守的生殖細胞標記基因Nanos3。

然后，他們對培養第3天rPGCLCs（d3 rPGCLCs）的轉錄組進行測序，并將其與RESC、rEpiLCs、大鼠外胚層和活體rPGCs的轉錄組進行比較。

主成分分析（PCA）結果反映了在體內和體外，外胚層向種系命運的轉變。

所有PGC特異性基因和多能性基因均在第3天的rPGCLCs中表達，而晚期PGC標記物的表達低于E15.5個性腺rPGCs。

因此，他們推斷，誘導的RPGCLs可能對應于rPGCs在體內的遷移階段。

由于PGC在發育過程中經歷了廣泛的表觀遺傳重編程，他們還研究了培養細胞中DNA甲基化和組蛋白甲基化動力學的變化。

結果表明，培養過程中的表觀遺傳學變化動態與rPGCs在體內的發育密切相關，表明d3 rPGCLCs在體外隨著表觀遺傳學重編程的逐漸進行在性腺階段逐漸成熟。

最后，他們研究了體外誘導的雄性rPGCLCs在體內移植后是否能產生功能性精子。

他們將rPGCLCs移植到完全缺乏內源性生殖細胞的Prdm14基因敲除新生大鼠的生精小管中，并在移植后8-11周檢測移植睪丸輸精管中示蹤基因的表達。

同時，在組織切片中，他們還觀察到圓形精子細胞和成熟精子，這些結果表明rPGCLCs可以在體內完成精子發生和成熟的過程。

最后，他們研究了體外誘導的雄性rPGCLCs是否能在體內移植后產生功能性精子。

接下來，他們將誘導的圓形精子細胞和成熟精子分別注入未受精的大鼠卵母細胞，以證明rPGCLCs衍生的睪丸生殖細胞的發育潛力。

足月移植后，分別有18只和6只健康大鼠后代出生并發育成可生育的正常成年大鼠。因此，這些結果表明，體外誘導的rPGCLCs能夠產生功能完整的成熟配子。

在體外從多能干細胞轉化為生殖細胞，并在體內生產健康后代，一直是生殖醫學和動物育種科學關注的焦點。

近10年前，它在小鼠身上取得了成功，但在任何其他物種中，都沒有在體外使用PGCLCs在體內誘導配子產生，Mami Oikawa及其同事將這種能力擴展到了大鼠身上。

由于大鼠在生理上比小鼠更像人類，因此本研究報告的體外配子發生系統具有更廣泛的適用性，可以進一步用于研究各種遺傳疾病和疾病的致病作用。

大鼠模型的進展也將使我們更接近于建立適用于牲畜繁殖和生殖醫學中其他物種的系統。

“這項研究代表了哺乳動物種系生物學快速發展的另一個例子，證明了利用多能干細胞和誘導多能干細胞（例如，皮膚細胞）制造大鼠配子的可能性。”劍橋大學教授Surani Azim 說：“我們離人類干細胞的人類配子遠不遠。然而，像這樣的研究促進了生殖系生物學的知識，并幫助我們找到解決不孕和緩解人類生殖障礙的方法。”

參考文獻

1. Mami Oikawa., et al., Functional primordial germ cell–like cells from pluripotent stem cells in rats. Science (2022).

2. Kobayashi T, et al., Germline development in rat revealed by visualization and deletion of Prdm14. Development (2020).

3. Yamashiro C, et.al., Generation of human oogonia from induced pluripotent stem cells in vitro. Science (2018).

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總結

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