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实验室重现小鼠卵细胞发育,真正的人造卵母细

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实验室重现小鼠卵细胞发育,真正的人造卵母细

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科学家们第一次从实验室重编程小鼠胚胎干细胞中培育出了功能完整的卵母细胞。这一研究成果公布在10月17日的Nature杂志上,为理解卵子形成进程提供了新的蓝图,也为实现人体ESCs和iPSCs转化提供了技术铺垫。

图片来源:Y. Obata

纽约人类生殖研究中心主任,卵母细胞生物学家David Albertini评价道,“这是真正的一项突破性成果。”

这只老鼠看上去或许没什么不同,但它却是该类群中的第一只。培育出这只啮齿类动物的卵细胞并非来自成年母体的卵巢,而是来自一个实验室器皿中培育的小鼠胎儿的卵前体细胞。

就小鼠而言,卵母细胞的发育开始于原始生殖细胞 ,这大约需要6.5天的发育时间。雌鼠体内的PGCs进入卵巢后,就开始减数分裂,形成初级卵母细胞,接着就是成熟阶段。2012年,来自日本九州大学的Katsuhiko Hayashi 等人从小鼠的iPS细胞中培育出卵子,并使其体外受精后产下健康后代。

为了观察精子和卵细胞如何形成,研究人员一直在尝试通过诱导和培育原生殖细胞,在体外培育它们。(中国一个研究团队近日报告称在试管中生成了类似精子的细胞。)在此之前,生成卵母细胞或是卵子前体细胞的尝试主要集中在暂时性地将一群PGCs及其周围的细胞移植到一只小鼠的卵巢中或是肾脏上。在培养皿中,那些原本认为应该包含各个发育卵子的淋巴结最终变得畸形、簇拥在一起。

最新这项研究则是在其基础上,进一步扩展了他们的培养技术,实现从整个胚胎干细胞到卵母细胞分化的过程,这个阶段在体内大约需要30天时间。

日前在线发表于美国《国家科学院院刊》的一项新研究提出了一种可能的原因:培养基中包含了太多的雌性激素。当研究人员用阻止雌激素受体的化合物培育胎鼠卵巢时,其中的卵泡正常分离开了。经过受精并移植到代孕母体之后,形成的卵子生成了上面这只看上去非常健康的小鼠。

Hayashi等人从任何一种干细胞类型开始,首先通过诱导几个基因生成PGC样细胞,然后将其与雌性性腺体细胞混合,创造出了体外“重组卵巢”。这些细胞会逐渐失去PGC标志表达,开始表达卵母细胞标记。

这项技术通过让研究人员直接观察引导其发育的卵母细胞和周围细胞之间的复杂信号,能够更好地让他们了解卵子如何成熟。一些人认为这项研究朝着更远、更雄心勃勃的目标迈出了一步:如果类似的技术能够在人类细胞中发挥作用,科学家某一天将能通过女性身体的其他细胞生成健康的卵子,用于治疗不孕不育。

在培养基中生长了三周后,研究人员观察到了减数分裂前期的初级卵母细胞,这一阶段的一个关键要素在于添加一种雌激素抑制剂,令早期阶段的卵母细胞体外形成卵巢卵泡。

研究人员再在培养基中加入促卵泡素和另外两种因子,这样细胞会分离出毛囊样结构,卵母细胞继续生长11天,组装出全尺寸生发泡卵母细胞。在第三阶段,成熟培养基中培养了一天的生发泡卵母细胞就会成为减数分裂-捕获卵母细胞。

Albertini认为,“这一研究最终克服了体细胞环境下雌性生殖细胞发育的一个关键障碍”,似乎与胚胎微环境细胞之间的相互作用在移植过程中并不需要。

这项研究一共完成了三次单独的培养实验,获得了58个重组卵巢,和3,198个生发泡卵母细胞,其中28.9%能成熟进入减数分裂II阶段。

“最令我感到惊讶的就是当我在重组卵巢中看到一丛次级卵泡和美丽的毛囊结构时,”Hayashi表示。

接下来为了检测这些卵母细胞的质量,研究人员分析了它们的染色体,其中78%具有正确数量的染色体。之后采用RNA测序方法,研究人员观察比对了体内卵母细胞和培养皿来源的卵母细胞的表达情况,结果表明有424个基因出现了或高或低的表达变化,尤其是线粒体功能的基因。

最后研究人员又将这些卵母细胞与野生小鼠精子进行体外受精,移植到雌鼠体内,培养出了健康的,能正常发育的小鼠,不过它们相对于野生型小鼠体质弱一些。

“体外培养卵母细胞的质量有一些变化,因为人造卵母细胞只有3.5%能生成小鼠,而体内的成功率则为60%,”Hayashi说。

但是最后生成的小鼠都很健康,也发育成了成鼠,不过目前要说应用到临床还言之过早,“我们仍然需要进行更多的小鼠和非人类灵长类生物的基础研究。”

另外需要注意的是,这一技术的局限性在于需要来自小鼠的性腺体细胞,这会阻碍人类卵母细胞体外培养的可能性。

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