重新连接细胞以产生生殖细胞前体的分步过程

不同的细胞类型——例如，心脏、肝脏、血液和精子细胞——具有帮助它们在体内完成其独特工作的特征。通常，这些特性是硬连线的。在没有干预的情况下，心脏细胞不会自发地转变为肝细胞。

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。然后他们指导这些干细胞具有精子前体的特征。

在eLife杂志中，他们报告了重新布线细胞的分步过程。研究结果——狨猴中的第一个，一只小猴子——为研究灵长类动物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，一种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体外胚胎的产生。

科学家们知道如何从小鼠的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有很大不同。通过研究生物学与我们更相似的狨猴，我们可以弥合差距。”

为了解如何产生生殖细胞，研究人员首先研究了狨猴胚胎的生殖细胞前体，该物种从未对这些胚胎进行过严格的表征。他们发现这些被称为原始生殖细胞(PGC)的早期细胞带有某些可以随时间追踪的分子标记。对这些细胞进行单细胞RNA测序表明，PGC表达了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，当前体细胞迁移到卵巢或睾丸以完成其成熟时，PGC不表达已知在生殖细胞发育过程的后期开启的基因。

Sasaki说，他们的发现“与狨猴生殖细胞经历重新编程过程的观点一致”，即“关闭”某些标记并允许PGC继续进行生殖细胞发育的各个阶段。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，但与小鼠的不同，这也是狨猴可能成为生殖生物学研究有价值模型的另一个原因。

掌握了这些信息后，该团队开始尝试在实验室中人工重建开发过程。第一步：将血细胞转化为诱导性多能干细胞(iPSC)，这些细胞保留了产生多种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是这项研究的一个困难部分，”佐佐木实验室的博士后研究员兼主要作者YasunariSeita说。.

经过多次试验和错误，并运用从小鼠、人类和其他研究中吸取的经验教训，Seita找到了一种策略，使他能够生成和维持稳定的iPSC培养物。成功的关键是添加了一种由Wnt蛋白控制的信号通路抑制剂，该蛋白参与多种细胞功能，例如细胞分化。

下一步是从iPSC转向生殖细胞前体。再一次，大量的实验进入了开发这种转变的协议。最有效的方法涉及添加生长因子混合物，以成功促使15-40%的培养物具有这些生殖细胞前体的特征。

“我们很高兴看到这种效率，并且能够扩展我们的文化，多次传代并看到良好的指数增长，”佐佐木说。“这些细胞保留了关键的生殖细胞标记，但不表达与向性腺迁移相关的其他标记。”

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并在2020年NatureCommunications论文中报道的方法，他们在一个月的时间里用小鼠睾丸细胞培养了这些细胞。结果是成功生长，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建立了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——利用该物种作为一个重要的研究模型。例如，狨猴的认知功能在很多方面都与人类相似，因此可以为神经科学带来新的见解。

对于对生殖系统发育最感兴趣的Sasaki小组来说，狨猴代表了研究正常和异常发育以及生育能力的新途径。

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