哈工大化学家第壹次体外培养人卵泡样细胞

清华科学家首次体外培养人卵泡样细胞

来源:新华社 2017-06-14 喻菲


清华大学的科学家在世界上首次实现人类胚胎干细胞体外诱导为卵泡样细胞,这一研究将有助于改进辅助生育技术,或为研究女性卵巢早衰等疾病提供直接测试基因突变的体外模型。

清华大学医学院教授纪家葵课题组的这一研究成果6月12日在国际学术期刊《自然·通讯》在线发表。

纪家葵课题组的研究表明,在外源因子与内源基因共同作用下,人胚胎干细胞能分化为人类卵泡样细胞。这项研究为体外获得人类生殖细胞打开了新的思路。

马来西亚华裔科学家纪家葵解释这项研究的初衷时说,与人的体细胞不同,只有生殖细胞能把父源和母源的基因染色体传到下一代。在遗传过程中,生殖细胞会进行独有的减数分裂、基因重组。生殖细胞如何调控这所有过程?怎样把上一代的基因传给下一代,又制造出多元化的基因组?每一代基因重组后,既要维持一定的保守性,又要有一定的多元化,这样的平衡是如何做到的?

“这是最奇妙,最吸引我做生殖发育研究的地方。”纪家葵说。然而,要研究人的生殖细胞发育过程非常困难。

之前科学家主要通过小鼠之类的动物来研究生殖发育过程,但人的基因组与小鼠的有很大差别。尽管在知情同意的情况下,科学家在临床上可以获得一些人的生殖细胞样本,但样本量很小,经过分选后,一般只能获得几十个或几百个有活性的细胞。然而分子实验和细胞实验需要的细胞量通常是百万级或千万级的,这使得相关研究受到很大限制。

“我们需要建立一个可供开展实验的体外体系,深入了解生殖发育过程中的各种机制。因此,我们想到用人的胚胎干细胞,诱导它进行减数分裂,进而发育成为成熟的生殖细胞,即精子或卵子。”纪家葵说。

纪家葵团队曾于2009年在《自然》杂志上发表文章,介绍了在世界上首次用人的胚胎干细胞分化培育出原始生殖细胞以及类精子细胞。

虽然国际上也有其他科学家做过类似的实验,但是都没有使人生殖细胞分化到这样成熟的阶段。2015年英国科学家与以色列科学家合作,用人的干细胞分化出原始生殖细胞。2016年日本科学家用小鼠的干细胞分化出类卵细胞。

在体外成功培育出人的类精子细胞后,纪家葵团队想了解人的卵巢、卵泡是否也能在体外培育。

“卵泡是由一个卵母细胞和周围许多颗粒细胞所组成。在体外诱导分化时,能否也产生颗粒细胞?我们一开始担心不能成功。”纪家葵说。

这其中,寻找到促进卵泡发育的生长因子非常关键。科学家发现,人体内每一个发育阶段都有很多不同的生长因子发挥重要作用。在细胞培养中什么阶段添加哪些生长因子,添加的时间和浓度是多少,这些都需要一点点尝试。

“我们比较幸运,试了四五种不同的生长因子,就找到了GDF9与BMP15生长因子的组合。”纪家葵的好运还包括他在一次香港的学术会议中,遇到了一位美国研究生殖发育的专家。他对纪家葵的研究很感兴趣,并提供了他们实验室生产的生长因子,比纪家葵团队原先使用的效果更好,提高了实验效率。

经过一年多的尝试,纪家葵团队成功地在显微镜下,观察到由胚胎干细胞培养出的颗粒细胞从单层生长到多层,包裹着卵母样细胞,就像许多士兵围绕着皇后。

获得了这些细胞,只完成了研究的三分之一。课题组又花了约三年时间用分子生物学、基因组学等很多指标验证培养出的细胞到底是不是卵泡。

“我们使用了所有能使用的科学指标进行对比,这些体外培养出的细胞与体内细胞非常接近,但我们还只能称其为卵泡样细胞或类卵泡细胞。下一步,我们希望将实验的效率提高一个数量级,获得更多的卵泡样细胞,还希望培养出更成熟的有腔卵泡,验证它们是否具有卵子的功能。”纪家葵说。

帮助不孕不育的病人,是这个课题组的最终目标。“有些女性在35岁前就绝经了,不能生育后代,如何去帮助这些卵巢早衰的病人呢?我们或许能通过体外生殖细胞实验,研究是否是某种基因突变造成了不孕,这样就可以用医学手段去帮助这些病人,有针对性地研发药物。”纪家葵说。如果能在体外培养出成熟的精子、卵子,也能帮助那些完全不能产生精子或卵子的病人。

此外,纪家葵课题组还正在天舟一号货运飞船上,开展微重力条件下人胚胎干细胞分化为生殖细胞的实验,研究太空环境对人类生殖的影响,探索人类在太空生育后代的可能性。

编辑:藤子

中国科学家“体外”获得功能性精子 图片 1

前言:

近日,以中科院动物研究所周琪院士为首,南京医科大学沙家豪教授和中科院动物研究所赵小阳教授参加的合作团队,首次实现干细胞体外减数分裂获得具有功能的精子细胞,相关成果发表在2月25日的《细胞—干细胞》上。

中国科学家终于成功在“体外”获得了小鼠的功能性精子!为了达到这个目的,研究人员巧妙地将小鼠胚胎干细胞(ESC)诱导分化成功能性的精子(样)细胞,借助辅助生殖技术产生了健康后代。这项工作2016年2月26日凌晨在线发表于干细胞权威杂志Cell Stem Cell 上[1],为今后治疗男性不育的临床研究搭建了最为简易而可行的平台。

中国科学家终于成功在“体外”获得了小鼠的功能性精子!为了达到这个目的,研究人员巧妙地将小鼠胚胎干细胞细胞,借助辅助生殖技术产生了健康后代。这项工作2016年2月26日凌晨在线发表于干细胞权威杂志CellStemCell上[1],为今后治疗男性不育的临床研究搭建了最为简易而可行的平台。

文 | 陈苏仁(中国科学院动物研究所 助理研究员)

在体外获得有受精能力的生殖细胞一直都是生殖生物学和生殖医学领域的难题和热点。这项研究所建立的系统,能够在体外“复制/模拟”体内精子发生过程,产生功能性精子样细胞。先前的一些研究虽然也报道过成功从“干细胞”诱导分化产生了“生殖细胞”,但未充分评估获得的生殖细胞的功能性。

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近年来国际生殖生物学领域同行共同认为“减数分裂”是体外诱导形成精子样细胞的最大障碍,并制定了确定人工获得精子的功能性的“黄金标准”[2]。研究人员必须提供减数分裂特定时期的核DNA含量、染色体数目和各阶段的染色体形态、精子样细胞生产健康后代等有效证据。目前,达到所有以上指标仍然是在体外获得功能性精子的最大考验。

在体外获得有受精能力的生殖细胞一直都是生殖生物学和生殖医学领域的难题和热点。这项研究所建立的系统,能够在体外“复制/模拟”体内精子发生过程,产生功能性精子样细胞。先前的一些研究虽然也报道过成功从“干细胞”诱导分化产生了“生殖细胞”,但未充分评估获得的生殖细胞的功能性。

为克服这个壁垒,中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室的周琪院士、赵小阳研究员与南京医科大学生殖医学国家重点实验室的沙家豪教授组成联合研究团队。第一步,将小鼠胚胎干细胞诱导分化成原始生殖细胞样细胞;第二步,研究人员模拟原始生殖细胞体内发育的“自然组织环境”,即与睾丸细胞共培养并添加性激素如睾酮等。最终,ESC今后,研究人员计划在基础研究和临床治疗两方面将这项研究深入下去。一方面,利用这个系统体外研究调控减数分裂的分子机制;另一方面将检测该系统是否适用于其他动物,特别是灵长类动物。当然,这项实验室工作距离临床治疗还长路漫漫,可能的危险性必须排除,使用胚胎干细胞的伦理学问题也需要慎重考量。

近年来国际生殖生物学领域同行共同认为“减数分裂”是体外诱导形成精子样细胞的最大障碍,并制定了确定人工获得精子的功能性的“黄金标准”[2]。研究人员必须提供减数分裂特定时期的核DNA含量、染色体数目和各阶段的染色体形态、精子样细胞生产健康后代等有效证据。目前,达到所有以上指标(特别是完成减数分裂)仍然是在体外获得功能性精子的最大考验。

辅助生殖技术能不能解决全部的男性不育问题?

为克服这个壁垒,中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室的周琪院士、赵小阳研究员与南京医科大学生殖医学国家重点实验室的沙家豪教授组成联合研究团队。第一步,将小鼠胚胎干细胞(ESC)诱导分化成原始生殖细胞样细胞(PGCLC);第二步,研究人员模拟原始生殖细胞(PGC)体内发育的“自然组织环境”,即与睾丸细胞共培养并添加性激素如睾酮等。最终,ESC来源的PGCLC擦除基因印迹,完成减数分裂,最终产生了功能性精子样细胞,具备上述“黄金标准”,借助胞浆内单精注射(ICSI)产生健康后代(如下图)。

不育症是当今社会中较为常见的一类生殖健康疾病,困扰着全球范围内约15%-20%的育龄夫妇,其中男性因素约占一半。男性不育病因复杂,许多遗传与非遗传因素均可致病,患者临床多表现为非梗阻性无精子症和少、弱、畸精子症。精子的形成是一个复杂而连续的生殖细胞分化过程,它起始于原始生殖细胞的迁移与增殖,经历精原干细胞的自我更新与分化、精母细胞减数分裂和精子变态等重要过程,最终产生“单倍体”功能性精子。

图片 2

目前,试管婴儿对于大众并不陌生,但是借助这项技术使患有不育症的男性成功当上父亲还是有一个前提条件的——必须有“单倍体”精子。如果男性不育症患者没有“单倍体”精子,辅助生殖技术也束手无策。现实中,的确有相当一部分男性不育症患者经睾丸活检没有“单倍体”精子,仅存在早期发育阶段的生殖细胞,如精原干细胞,部分精母细胞等,这些早期生殖细胞不是“单倍体”,无法直接用于辅助生殖。

今后,研究人员计划在基础研究和临床治疗两方面将这项研究深入下去。一方面,利用这个系统体外研究调控减数分裂的分子机制;另一方面将检测该系统是否适用于其他动物,特别是灵长类动物。当然,这项实验室工作距离临床治疗还长路漫漫,可能的危险性必须排除,使用胚胎干细胞的伦理学问题也需要慎重考量。

从“干细胞”到“原始生殖细胞样细胞”,再到“精子”

辅助生殖技术能不能解决全部的男性不育问题?

最早在2003年,HansR.Scholer领导的研究组报道了小鼠胚胎干细胞可体外经诱导分化产生卵子样细胞。这项开创性研究随即引发学术界的极大关注,因为干细胞居然能够产生生殖细胞?!十多年后的今天,相关研究仍面临一些主要的问题:精子发生是一个非常复杂的生理过程,其中仅有某些阶段可体外“复制”。如前所述,很多研究并未证明人工产生的精子究竟是不是“真正的”精子。

不育症是当今社会中较为常见的一类生殖健康疾病,困扰着全球范围内约15%-20%的育龄夫妇,其中男性因素约占一半。男性不育病因复杂,许多遗传与非遗传因素均可致病,患者临床多表现为非梗阻性无精子症和少、弱、畸精子症。精子的形成是一个复杂而连续的生殖细胞分化过程,它起始于原始生殖细胞(PGC)的迁移与增殖,经历精原干细胞(SSC)的自我更新与分化、精母细胞减数分裂和精子变态等重要过程,最终产生“单倍体”功能性精子。

可以说,日本科学家Saitou实验室在方面做出了很大的贡献。Saitou实验室建立了胚胎干细胞分化成为原始生殖细胞样细胞的黄金方法[3,4]。即先将ESC分化成外胚层样细胞,之后在生长因子或联合过表达三种转录因子Blimp1、Prdm14和Tfap2c[5]下,约30%的EpiLCs诱导成为PGCLC。但是,PGC样细胞无法继续在体外完成减数分裂,需移植到青春期前受体小鼠睾丸曲细精管中,进行类“体内”精子发生,产生精子和卵子。使用相似方法,人ESC也可分化产生PGCLC[6]。

目前,试管婴儿对于大众并不陌生,但是借助这项技术使患有不育症的男性成功当上父亲还是有一个前提条件的——必须有“单倍体”精子。如果男性不育症患者没有“单倍体”精子,辅助生殖技术也束手无策。现实中,的确有相当一部分男性不育症患者经睾丸活检没有“单倍体”精子,仅存在早期发育阶段的生殖细胞,如精原干细胞,部分精母细胞等,这些早期生殖细胞不是“单倍体”,无法直接用于辅助生殖。

周琪、沙家豪、赵小阳团队的这项研究,ESC能否从不育症患者睾丸少量样本直接获得单倍体精子?

从“干细胞(ESC)”到“原始生殖细胞样细胞(PGCLC)”,再到“精子”

基于胚胎干细胞存在很大的伦理学问题,科学家考虑能否直接通过微创手术获得不育病人的一小块睾丸组织样本,通过体外培养方法直接获得单倍体精子呢?一些研究人员已经在这方面有所尝试。

最早在2003年,Hans R. Scholer领导的研究组报道了小鼠胚胎干细胞(ESC)可体外经诱导分化产生卵子样细胞。这项开创性研究随即引发学术界的极大关注,因为干细胞居然能够产生生殖细胞?!十多年后的今天,相关研究仍面临一些主要的问题:精子发生是一个非常复杂的生理过程,其中仅有某些阶段可体外“复制”。如前所述,很多研究并未证明人工产生的精子究竟是不是“真正的”精子。

例如2011年[7]日本科学家Ogawa研究团队利用出生后几天的小鼠睾丸组织小块,置于琼脂块上,气液联合体外培养最终分化出了单倍体精子,经辅助生殖技术也获得了健康后代。随后[8]Ogawa研究团队利用睾丸组织块培养模型,将精原干细胞也诱导产生单倍体精子,并产生了健康的后代。但该项技术效率极低,重复性也存在争议。

可以说,日本科学家Saitou实验室在方面做出了很大的贡献。Saitou实验室建立了胚胎干细胞(ESC)和诱导型多能干细胞(iPS)分化成为原始生殖细胞样细胞(PGCLC)的黄金方法[3,4]。即先将ESC分化成外胚层样细胞(EpiLCs),之后在生长因子或联合过表达三种转录因子Blimp1、Prdm14和Tfap2c[5]下,约30%的EpiLCs诱导成为PGCLC。但是,PGC样细胞无法继续在体外完成减数分裂,需移植到青春期前受体小鼠睾丸曲细精管中,进行类“体内”精子发生,产生精子和卵子。使用相似方法,人ESC也可分化产生PGCLC[6]。

2014年[9]上海交通大学仁济医院干细胞中心的何祖平教授研究团队报道了隐睾病人睾丸经消化并体外培养,可获得单倍体圆形精子,通过圆形精子注射小鼠卵细胞显示受精卵具有一定发育潜能。但是,如何较为高效、稳定地获得功能性单倍体精子仍需大量的基础与临床研究。

周琪、沙家豪、赵小阳团队的这项研究,ESC来源的PGCLC真正完全在体外完成了减数分裂,最终产生了功能性精子样细胞,借助辅助生殖技术产生了健康后代。不仅验证了人工产生的精子是“真正的”精子细胞,而且不借助受体鼠睾丸曲细精管移植,完全在体外获得了功能性精子,向ESC到精子的临床治疗又迈出了一步。

能否从不育症患者睾丸少量样本直接获得单倍体精子?

基于胚胎干细胞存在很大的伦理学问题,科学家考虑能否直接通过微创手术获得不育病人的一小块睾丸组织样本,通过体外培养方法直接获得单倍体精子呢?一些研究人员已经在这方面有所尝试。

例如2011年[7]日本科学家Ogawa研究团队利用出生后几天的小鼠睾丸组织小块,置于琼脂块上,气液联合体外培养(添加许多生长因子)最终分化出了单倍体精子,经辅助生殖技术也获得了健康后代。随后[8] Ogawa研究团队利用睾丸组织块培养模型,将精原干细胞(SSC)也诱导产生单倍体精子,并产生了健康的后代。但该项技术效率极低,重复性也存在争议。

2014年[9]上海交通大学仁济医院干细胞中心的何祖平教授研究团队报道了隐睾病人(无单倍体精子)睾丸经消化并体外培养(添加RA和SCF等生长因子),可获得单倍体圆形精子,通过圆形精子注射小鼠卵细胞(因为人的圆形精子注射人卵细胞不能发育)显示受精卵具有一定发育潜能。但是,如何较为高效、稳定地获得功能性单倍体精子仍需大量的基础与临床研究。

参考文献:

1.Zhou Q, Wang M, Yuan Y, Wang XP, Fu R, Wan HF, Xie MM, Liu MX, Guo XJ, Zheng Y, Feng GH, Shi QH, Zhao XY, Sha JH, Zhou Q. Complete meiosis from embryonic stem cell-derived germ cells in vitro. Cell Stem Cell 2016, Published online: February 25.

全文链接:

2.Handel MA, Eppig JJ, Schimenti JC. Applying "gold standards" to in-vitro-derived germ cells. Cell 2014, 157(6): 1257-1261.

3.Hayashi K, Ohta H, Kurimoto K, Aramaki S, Saitou M. Reconstitution of the mouse germ cell specification pathway in culture by pluripotent stem cells. Cell 2011, 146(4): 519-532.

4.Hayashi K, Ogushi S, Kurimoto K, Shimamoto S, Ohta H, Saitou M. Offspring from oocytes derived from in vitro primordial germ cell-like cells in mice. Science 2012, 338(6109): 971-975.

5.Nakaki F, Hayashi K, Ohta H, Kurimoto K, Yabuta Y, Saitou M. Induction of mouse germ-cell fate by transcription factors in vitro. Nature 2013, 501(7466): 222-226.

6.Irie N, Weinberger L, Tang WW, Kobayashi T, Viukov S, Manor YS, Dietmann S, Hanna JH, Surani, MA. SOX17 is a critical specifier of human primordial germ cell fate. Cell 2015, 160(1-2): 253-268.

7.Sato T, Katagiri K, Gohbara A, Inoue K, Ogonuki N, Ogura A, Kubota Y, Ogawa T. In vitro production of functional sperm in cultured neonatal mouse testes. Nature 2011, 471(7339): 504-507.

8.Sato T, Katagiri K, Yokonishi T, Kubota Y, Inoue K, Ogonuki N, Matoba S, Ogura A, Ogawa T. In vitro production of fertile sperm from murine spermatogonial stem cell lines. Nature communications 2011, 2: 472.

9.Yang S, Ping P, Ma M, Li P, Tian RH, Yang H, Liu Y, Gong YH, Zhang ZZ, Li Z, He ZP. Generation of haploid spermatids with fertilization and development capacity from human spermatogonial stem cells of cryptorchid patients. Stem Cell Reports 2014, 3 (4): 663-675.

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