重新连接血细胞以产生精子的前体

不同的细胞类型——比如心脏、肝脏、血液和精子细胞——具有帮助它们在体内执行其独特工作的特征。通常，这些特征是硬连线的。如果没有干预，心脏细胞不会自发地转化为肝细胞。

然而，宾夕法尼亚大学兽医学院的研究人员与德克萨斯大学圣安东尼奥分校和德克萨斯生物医学研究所的合作者合作，促使狨猴血细胞获得了干细胞的灵活性。然后他们指示这些干细胞具有精子前体的特征。

在eLife杂志上，研究人员报告了他们重新布线细胞的逐步过程。这些发现 - 狨猴中的第一个，一只小猴子 - 为研究灵长类生物学和开发新的辅助生殖技术开辟了新的可能性，如体外配子发生，在实验室培养皿中产生生殖细胞，精子或卵子的过程，类似于体外受精如何涉及在人体外产生胚胎。

“科学家知道如何从小鼠诱导多能干细胞中产生功能性精子和卵子，但小鼠生殖细胞与人类生殖细胞非常不同，”Penn Vet助理教授Kotaro Sasaki说，“通过研究狨猴，它们的生物学更接近我们的生物学，我们可以弥合差距。

为了了解如何产生生殖细胞，研究人员首先研究了来自狨猴胚胎的生殖细胞前体，这些胚胎从未对该物种进行过严格的表征。他们发现这些早期细胞，被称为原始生殖细胞(PGC)，带有某些可以随着时间的推移进行追踪的分子标记。

对这些细胞进行单细胞RNA测序表明，PGCs表达早期生殖细胞的特征基因以及与调节基因表达的表观遗传修饰相关的基因。然而，PGCs并不表达已知在生殖细胞发育过程后期开启的基因，当前体细胞迁移到卵巢或睾丸以完成其成熟时。

Sasaki说，他们的发现“与狨猴生殖细胞经历重编程过程的概念一致”，该过程“关闭”某些标记物并允许PGCs进入生殖细胞发育阶段。研究人员在狨猴细胞中观察到的模式与在人类和其他猴子物种中发现的模式非常相似，但与小鼠不同，这是狨猴可能成为生殖生物学研究的宝贵模型的另一个原因。

有了这些信息，团队开始尝试在实验室中人为地重建开发过程。第一步：将血细胞转化为诱导多能干细胞(iPSCs)，这些细胞保留了产生许多其他细胞类型的能力。

“我在细胞培养和诱导多能干细胞方面有很多经验，但为狨猴细胞建立稳定的培养物是研究的困难部分，”Sasaki实验室的博士后研究员，主要作者Yasunari Seita说。

经过大量的试验和错误，并应用从小鼠、人类和其他研究中吸取的经验教训，Seita 找到了一种策略，使他能够产生和维持稳定的 iPSC 培养物。成功的关键是增加了由Wnt蛋白控制的信号通路抑制剂，该蛋白参与多种细胞功能，如细胞分化。

下一步是从iPSC转向生殖细胞前体。再一次，在开发这种转换的协议时进行了大量的实验。最有效的方法是添加生长因子的混合物，以成功促使15-40%的培养物具有这些生殖细胞前体的特征。

Sasaki说：“我们很高兴看到这种效率，能够扩展我们的文化，多次传承，并看到良好的指数级增长。“这些细胞保留了关键的生殖细胞标志物，但没有表达与向性腺迁移相关的其他标志物。

在研究的最后阶段，研究小组诱导这些实验室培养的细胞具有后期生殖细胞的特征。基于Sasaki及其同事早些时候在人类细胞中建立的方法，并在2020年《自然通讯》的一篇论文中报道，他们在一个月内用小鼠睾丸细胞培养了这些细胞。结果是成功的生长，一些细胞开始开启与后期精子细胞前体相关的基因。

开发研究狨猴的新方法，使宾夕法尼亚大学和德克萨斯大学圣安东尼奥分校的团队以及整个科学界都利用该物种作为重要的研究模型。例如，狨猴的认知功能在许多方面与人类相似，因此可能会给神经科学带来新的见解。

对于Sasaki的团队来说，对生殖系统的发展最感兴趣，狨猴代表了研究正常和异常发育以及生育能力的新途径。

Sasaki说：“当你考虑体外配子发生等辅助生殖技术的临床应用时，可能会出现很多道德、法律和安全问题。“在我们转向人体临床转化之前，我们肯定需要一个好的临床前模型来探索。

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