Cell Stem Cell：我國科學家幹細胞研究取得重大突破，在體外製造出功能...

為出生健康而共同努力：2017新生兒遺傳病轉化醫學研討會2016年2月26日/生物谷BIOON/--中國科學家們終於成功地在實驗室中產生有功能性的小鼠精子。為了完成這一壯舉，來自中國科學院動物研究所、中國科技大學、揚州大學、南方醫科大學等機構的研究人員首先誘導小鼠胚胎幹細胞產生功能性的精子樣細胞（sperm-like cells），然後將這種精子樣細胞注入小鼠卵細胞中產生能生育的小鼠後代。相關研究結果於2016年2月25日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Complete Meiosis from Embryonic Stem Cell-Derived Germ Cells In Vitro」。論文共同通信作者、南方醫科大學沙家豪(Jiahao Sha)教授說，「在體外重現生殖細胞發育一直是生殖生物學和生殖醫學領域的一個中心目標。我們建立了一種穩健的和循序漸進的方法，利用該方法可在盤碟中重現功能性精子樣細胞形成。我們的方法完全符合由一個生殖生物學家共識小組最近提出的金標準，所以我們認為它具有巨大的希望用於治療男性不育症。」不孕不育影著響高達15％的夫妻，其中大約三分之一的病例源於男性。男性不育症的一個主要原因是睾丸中的前體生殖細胞（precursor germ cells）不能經歷一種被稱作減數分裂的細胞分裂，因而也就不能產生功能性的精細胞（即精子）。之前的一些研究已報道了利用幹細胞成功地產生精細胞，但是這些研究並沒有充分地評估這種生殖細胞的功能性，也沒有提供存在減數分裂所有關鍵性特徵的證據。最近，一個生殖生物學家小組提出證實人工製造的生殖細胞中減數分裂主要事件發生的金標準。比如，科學家們必需給出在特定減數分裂階段正確的DNA含量、正常的染色體數目和結構以及生殖能夠產生有活力的後代等方面的證據。在此之前，重現減數分裂所有必要步驟一直是在盤碟中產生功能性的精細胞和卵細胞的一個主要障礙。為了克服這一障礙，沙家豪教授與同樣作為論文共同通訊作者的來自中國科學院動物研究所的周琪（Qi Zhou）和趙小陽（Xiao-Yang Zhao）開展合作，開發出一種基於幹細胞的方法，利用這種方法可以完全重現減數分裂，以及產生功能性的精子樣細胞。該方法的第一步就是讓小鼠胚胎幹細胞（ESCs）接觸一種由GSK3抑製劑、MEK抑製劑和白血病抑制因子（LIF）組成的化學混合物，從而將ESCs誘導為原始生殖細胞（primordial germ cells）。接下來，研究人員模擬這些原始生殖細胞的天然組織環境：讓這些細胞接觸睾丸細胞和諸如睾酮之類的性激素。在這些生物相關的條件下，這些由ESCs產生的原始生殖細胞經歷完整的減數分裂，產生具有正確細胞核DNA和染色體含量的精子樣細胞。為了進一步提供符合減數分裂金標準的證據，研究人員將這些精子樣細胞注射進小鼠卵細胞中，將形成的胚胎植入雌性小鼠體內。引人注目的是，這些胚胎髮育正常，產生健康的有生育力的後代，而且這些後代也能繁殖下一代。在未來的研究中，研究人員計劃利用他們的平台來研究控制減數分裂的分子機制。他們還將在諸如靈長類動物之類的其他動物體內測試他們的方法以便期待開展人體研究。然而，在將這種技術轉移到診所之前，必需排除潛在的風險，而且應當考慮關於使用胚胎細胞的倫理擔憂。沙家豪教授說，「如果在人體中經證實是安全和有效的，那麼我們的平台可能能夠潛在地產生完全功能性的用於人工授精或體外受精的精子。因為當前可用的治療方法對很多夫婦沒有效果，我們希望我們的方法可以大大提高治療男性不育症的成功率。」（生物谷 Bioon.com）

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doi:10.1016/j.stem.2016.01.017

Complete Meiosis from Embryonic Stem Cell-Derived Germ Cells In Vitro

Quan Zhou, Mei Wang, Yan Yuan, Xuepeng Wang, Rui Fu, Haifeng Wan, Mingming Xie, Mingxi Liu, Xuejiang Guo, Ying Zheng, Guihai Feng, Qinghua Shi, Xiao-Yang Zhao, Jiahao Sha, Qi Zhou

In vitro generation of functional gametes is a promising approach for treating infertility, although faithful replication of meiosis has proven to be a substantial obstacle to deriving haploid gamete cells in culture. Here we report complete in vitro meiosis from embryonic stem cell (ESC)-derived primordial germ cells (PGCLCs). Co-culture of PGCLCs with neonatal testicular somatic cells and sequential exposure to morphogens and sex hormones reproduced key hallmarks of meiosis, including erasure of genetic imprinting, chromosomal synapsis and recombination, and correct nuclear DNA and chromosomal content in the resulting haploid cells. Intracytoplasmic injection of the resulting spermatid-like cells into oocytes produced viable and fertile offspring, showing that this robust stepwise approach can functionally recapitulate male gametogenesis in vitro. These findings provide a platform for investigating meiotic mechanisms and the potential generation of human haploid spermatids in vitro.

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