Science:重磅!利用多能性干细胞在体外成功重建支持卵母细胞发育的卵泡

2021
07/18

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生物谷
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该方法将加速科学家们对性腺发育的理解,并为研究和繁殖提供一种替代性的配子来源。

生殖细胞在生殖器官的特定环境中发育。在整个卵子发生过程中,卵母细胞被体细胞包裹在卵泡结构中,卵泡结构为卵母细胞发育的关键事件(如减数分裂和生长)提供了许多至关重要的信号和成分。卵母细胞和卵泡结构中的体细胞之间的相互作用是以一种发育阶段依赖性的方式进行调节。


最近,体外配子发生,即利用多能型干细胞在体外细胞培养中重建生殖细胞发育,已经在包括小鼠和人类在内的哺乳动物物种中实现。在小鼠中,多能性干细胞衍生的原始生殖细胞样细胞(primordial germ cell–like cell, PGCLC)与胚胎第12.5天的胚胎卵巢体细胞重新聚集,可产生功能性卵母细胞。因此,体外配子发生有望成为在体外培养中产生大量卵细胞的创新手段。这对于应用于人类和濒危动物应该是特别有用的。然而,生殖细胞发育的体外重建高度依赖于胚胎卵巢组织所提供的体细胞环境,而这种环境很难从哺乳动物物种中获得。




基于此,在一项新的研究中,日本研究人员提供一种模型系统,用于利用小鼠多能性干细胞重建卵巢体细胞环境。相关研究结果发表在2021年7月16日的Science期刊上,论文标题为“Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells”。


在小鼠发育过程中,胚胎卵巢起源于新生中胚层,其次是中间中胚层和生殖嵴区(genital ridge region)的体腔上皮(coelomic epithelium)。为了利用小鼠多能性干细胞形成胚胎卵巢体细胞,需要在体外培养中提供适当的信号来模拟一系列在体内发生的胚胎事件。利用携带监测每个步骤的关键基因表达的报告基因的小鼠胚胎干细胞(mESC),这些作者着手探索重建这种分化过程所需的体外培养条件。诱导的胚胎卵巢体细胞应在适当的条件下赋予其可靠的基因表达和功能。这些诱导的胚胎卵巢体细胞的功能应通过支持产生能够受精和后续发育的功能性卵母细胞的能力来验证。



完全利用小鼠多能干细胞重建卵泡结构,包括卵母细胞。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe0237。


根据报告基因的表达,这些作者确定了一系列的培养条件是以逐步的方式重现从多能性干细胞到性腺体细胞的分化过程所必需的。在这些条件下,mESC通过新生中胚层、中胚层和体腔上皮细胞状态,分化为表达Nr5a1的胎儿卵巢体细胞样细胞(fetal ovarian somatic cell–like cell, FOSLC),其中Nr5a1是性腺体细胞的代表性标志基因。FOSLC表现出与胚胎第12.5天的胚胎卵巢体细胞类似的转录特征和细胞组成。当FOSLC与mESC衍生性的PGCLC聚集在一起时,PGCLC进入减数分裂,随后的卵母细胞生长伴随着FOSLC衍生的卵泡在体外培养中的发育。在FOSLC衍生的卵泡中发育的PGCLC衍生性卵母细胞能够受精并发育成活的后代。这些结果表明,这种重建的功能性卵泡结构完全能够支持卵母细胞的产生。


综上所述,这些研究结果表明在体外培养中,mESC可以通过一种可靠的分化过程诱导出功能性的性腺体细胞。所产生的性腺体细胞可以作为一个有用的来源,以取代体外配子发生所需的胚胎卵巢组织。此外,这种方法有助于更好地了解性腺体细胞的分化以及卵母细胞和卵泡体细胞之间的相互作用。由于它不需要胚胎性腺,该方法为在其他哺乳动物物种中的应用提供了可能性,并减少了伦理和技术问题。它将加速科学家们对性腺发育的理解,并为研究和繁殖提供一种替代性的配子来源。


参考资料:
Takashi Yoshino et al. 
Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe0237.
Lin Yang et al. 
The making of an ovarian niche. Science, 2021, doi:10.1126/science.abj8347.

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关键词:
多能性干细胞,卵母细胞,体细胞,功能性,性腺,基因,胚层

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