Cell、Nature及Science聚焦：中國科學家在培養皿中造精子產後代

來源：生物探索

2016年2月26日凌晨，國際頂級期刊《Cell Stem Cell》在線報道了中國科學家成功在實驗室中造出小鼠功能性精子，為今後治療男性不育症的臨床研究搭建簡單可行的平台。該研究由中國科學院動物研究所幹細胞與生殖生物學國家重點實驗室的周琪院士、趙小陽研究員與南京醫科大學生殖醫學國家重點實驗室的沙家豪教授組成研究團隊聯合攻關完成。

Cell子刊：中國科學家在實驗室中利用造出功能性精子

男性如何產生精子，這是長久以來蘊藏在男性生殖器中的奧秘。一直以來，科學家都在嘗試如何在實驗室中實現人類以及其他哺乳動物產精子的過程，但大多數都以失敗告終，精子的發育似乎依賴於睾丸中的獨特條件。但中國科學家發表於《Cell Stem Cell》雜誌上的這項新技術可能最終使該過程公開化：中國科學家將某種類型的小鼠幹細胞轉變成類精子細胞，並與卵子受精最終孕育出健康的幼鼠，該方法可幫助研究人員更直接地研究哺乳動物的精子發育過程，為男性不孕症的治療開啟新方向。

早些年，也有一些實驗室試圖在培養皿中利用早期胚胎幹細胞生產精子，因為胚胎早期幹細胞在人體內可分化成任何類型的細胞。但減數分裂的多級過程涉及到了複雜的配對和細胞DNA的分離，使得多數研究在後期都以失敗告終。2011年，日本東京大學的一個研究小組將老鼠胚胎幹細胞（ES）誘導成可生產精子和卵子的原始生殖細胞樣細胞（PGCs），但要完成精子的發育過程，必須將這些原始生殖細胞樣細胞（PGC）移植到小鼠的睾丸內，這意味著生物學家不能觀察到所有的減數分裂過程，且任何臨床過程必須將細胞返回到人體中才能實現，這可能導致腫瘤的發生。

由中國科學院及南京醫科大學的研究人員引領的此項研究中，移植變成了不必要的過程。研究人員第一步運用了京都大學的方法將小鼠胚胎幹細胞（ESC）誘導分化成原始生殖細胞樣細胞；第二步，研究人員模擬原始生殖細胞（PGC）體內發育的「自然組織環境」，即與睾丸細胞共培養並添加性激素如睾酮等。最終，小鼠胚胎幹細胞來源的原始生殖細胞樣細胞擦除基因印跡，完成減數分裂，最終產生了功能性精子樣細胞，具備上述「黃金標準」，藉助胞漿內單精注射（ICSI）產生健康後代。

通過在體外觀察完整的精子發育過程，研究人員可以解決一些基本的問題：減數分裂的觸點是什麼？睾丸周圍的細胞如何接觸這個過程？分裂過程中細胞中染色體如何達成配對和分離？

Science和Nature報道，科學家的肯定與懷疑

中國科學家的此項研究受到了國際國內的關注，Nature、Science、BBC等各大國際媒體也於第一時間報道了此事。在體外獲得擁有功能性的生殖細胞一直是科學家面臨的難題，而中國科學家的此項研究給該領域帶來了很大驚喜，然而，也有部分科學家對該結果持有懷疑的態度。

荷蘭Hubrecht研究所幹細胞生物學家Niels Geijsen說，「這是相當驚人的，如果這些都是真的，那麼將是多年嘗試與失敗後的奇蹟，但該試驗結果的可複製性不免讓人有些擔憂。」如果該過程能複製，那麼該技術將為研究者提供第一個完整的哺乳動物減數分裂的過程，減數分裂是睾丸和卵巢中形成精子和卵子的過程。

美國賓夕法尼亞州匹茲堡大學馬基婦科研究所、專註於男性不育症的幹細胞生物學家Kyle Orwig說，「如果類似的技術可以產生人類精子細胞，那麼影響將是巨大的，某些特定類型的不育症患者尤其是那些化療後仍無法生產功能性精子的患者將受益於該技術，如果將患者身體中的其他細胞重編程為幹細胞並促使發育成為精子，他們仍有希望生育屬於自己的孩子。」

由於小鼠和人胚胎細胞的發育不同且所需的條件也可能不同，因此該技術在臨床上應用還很遙遠。然而，這個概念是令人鼓舞的，波斯頓哈弗醫學院的幹細胞研究員George Daley 說，「如果該技術在老鼠身上起作用，那麼沒有任何生物理由認為它不會在人類中起效，但必須對發育所需條件給出實際的定義。」

對於該結果，不少科學家持有懷疑的態度。創造原始生殖細胞樣細胞的研究人員，日本京都大學幹細胞生物學家Mitinori Saitou對該研究提出了幾點質疑。Mitinori Saitou在Science網站上說，「我們必須對本次研究持謹慎態度」。他對文中的幾個細節感到奇怪：本次研究中細胞培養在37℃的環境中，這比傳統的溫度高了3℃，這些潛在的熱度足以阻礙精子的發育。同時他指出，熒光成像為了證明培養皿中存在原始生殖細胞樣細胞，並沒有顯示這些細胞生長所需要的蛋白質，這意味著作者可能不是已經創建了原始生殖細胞樣細胞。本文作者趙小陽表示蛋白表達與原始生殖細胞樣細胞一致，且研究人員在34℃和37℃所觀察到的結果一致。

同時Nature也報道了科學家對此研究提出的其他具體問題，這些問題涉及到了精子細胞形成的時間問題。作者在本研究中表示，在遺傳分析的基礎上，人工原始生殖細胞樣細胞與12.5天的老鼠細胞類似，但Saitou及其他科學家說這些人工的原始生殖細胞樣細胞看上去更像9.5日齡的細胞。

生殖細胞發育的其他階段也令一些科學家意外：實際在老鼠體內，需要超過4周的時間使原始生殖細胞形成精子，但在本研究中，人工原始生殖細胞與精子中間間隔只有14天。Saitou表示對此結果很驚訝，他認為這幾乎是不可能的，他計劃對該結果進行重複試驗。

對此，研究人員周琪表示他們對該結果非常有信心，並表示該方法可以在其他實驗室中重複進行，在培養皿中生產精子與在活體小鼠中產精子存在差異是很正常的，研究中部分過程加速可能是因為細胞似乎已經跳過了一個「逮捕」狀態，但原始生殖細胞的發育通常是要經歷該過程。但Saitou反駁說，這個過程對原始生殖細胞的正常發育至關重要，這個過程加速，精子可能是不正常的。

後續

今後，研究人員計劃在基礎研究和臨床治療兩方面將這項研究深入下去：檢測該技術產生的子代小鼠基因是否正常，將該技術應用到其他動物身上，使用其他爭議少的細胞，例如從睾丸組織中提取和低溫儲藏幹細胞。趙小陽表示他們將進一步優化培養條件，最終利用人類細胞來重複該試驗。當然，這項實驗室工作距離臨床治療還長路漫漫，可能的危險性必須排除，使用胚胎幹細胞的倫理學問題也需要慎重考量。

備註：本文根據Nature、Science網站編譯

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