科学家首次在实验室得到人类原始生殖细胞
科学家首次在实验室得到人类原始生殖细胞
近日，来自英国剑桥大学和以色列魏茨曼科学研究所的研究者们宣布，他们首次成功地在实验室中通过胚胎干细胞和诱导多能干细胞（iPS）得到了人类的原始生殖细胞（primordialgermcells，PGCs），这一研究成果发表在《细胞》（Cell）期刊上[1]。
在胚胎发育的早期阶段，受精卵会在数次分裂之后形成囊胚，其中的一些细胞会形成内细胞团。在囊胚形成的最初几周之内，内细胞团中的胚胎干细胞（EmbryonicStemCells）会开始逐渐分化，其中一部分形成原始生殖细胞。原始生殖细胞是两性生殖细胞的“始祖”，它具有分化为卵原细胞或精原细胞的能力，并可进一步形成精子和卵子。“一旦这些原始生殖细胞开始分化，它们几乎会全自动地朝着精子或卵子的前体细胞发育。而多年来，研究人员一直试图在培养皿中构建出原始生殖细胞。”论文作者之一、威兹曼学院（WeizmannInstitute）的雅各布•汉纳（JacobHanna）博士这样表示。
诱导多能干细胞（iPS）是一种与“全能”胚胎干细胞特性相似的“多能”细胞，在2006年，科学家成功地制造了小鼠的iPS细胞，并在实验室条件下使其分化得到了原始生殖细胞。理论上说，用同样的方法也可以在实验室造出人类的原始生殖细胞，然而类似的尝试却迟迟没有成功。这说明，在人类和小鼠的胚胎发育过程中一定存在着某种重要的差异，要想重建这个过程，就必须先找到差异所在。
因此，研究团队将实验重点放在了人类iPS细胞和小鼠胚胎干细胞发育的区别上。他们发现，小鼠的胚胎干细胞较容易在体外维持“待机”状态，容易在人为干预下向预定的细胞类型进行诱导分化；而相比之下，人类的iPS细胞则显得太过“早熟”——它们有很强的自主分化倾向，用于小鼠细胞的诱导分化手段难以奏效。
研究小组首先构建了一个易于操控的实验模型来帮助分析实验，然后，他们设计了一套方法，对人类胚胎干细胞的分化遗传信号通路进行了调整。最终，研究者们在实验室环境下生成了一种新型的人类干细胞，他们将它称为“人类原始生殖细胞样细胞（humanprimordialgermcells-likecells）”，简称hPGCLCs。这种细胞非常有活力，它们更加接近胚胎干细胞的状态。利用红色荧光分子标记物CD38，研究者们确定，有近40%的hPGCLCs最终成功转化成了他们想要的人类原始生殖细胞（humanprimordialgermcells，hPGCs）。在利用人类iPS细胞进行的重复试验中，研究者们也成功地得到了hPGCLCs。此外，通过对这一系列分化过程的追踪，研究者发现指导人类干细胞分化为原始生殖细胞的关键就是SOX17基因，而小鼠身上并不具有同样的基因调控机制，这也就为此前实验的失败提供了解释。而在此之前，科学家们并不知道SOX17基因与生殖系统的发育有关。
图中绿色的部分显示的是胚状体中表达SOX17基因的细胞，这预示着人类生殖细胞系的诞生。图片来自：Eurekalert
虽然研究者成功地在实验室里造出了原始生殖细胞，但这其中具体的机制还没有完全弄清。汉纳博士说：“我们发现只有‘新鲜’的hPGCLCs能够转变为原始生殖细胞，而在常规培养条件下一周后，它们会再度失去这种能力，而这其中的原因目前还不明确。“而且，获得原始生殖细胞也仅仅是走出了第一步，要想真正在培养基中获得精子和卵子，在这之后还需要解决一系列问题才行。不过在将来，这项技术或许可以为不孕症患者等人群提供更多希望。
此外，研究者们在hPGCLCs分化的过程中还发现了DNA去甲基化（一种去除表观遗传信息的过程）的早期信号，这与真正的原始生殖细胞特征相符，并且解释了一些与去甲基化原理有关的问题。论文第一作者、剑桥大学戈登癌症研究所的艾瑞博士（NaokoIrie）认为，等这其中的机理全部澄清后，不仅可以帮助揭示人类生殖细胞早期的发育过程，也会对理解表观遗传提供帮助。
新型的多能干细胞技术在相关医疗领域也存在广泛的应用潜力。在hPGCLCs的后续研究完善之后，人工多能干细胞生成人造器官的领域也可产生新的突破。