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精子干细胞研究使研究人员更接近不孕症治疗

2021年4月12日

作者:克里斯-帕尔默

犹他大学健康中心(University of Utah Health)万博APP官网平台的研究人员领导的一项新研究追踪了人类精子干细胞向成熟精子细胞的发展,得出了迄今为止对这一过程最全面的看法。研究结果发表在该杂志上细胞干细胞,扩大了对人类睾丸发育的理解,并指出了男性不育症的潜在治疗方法。

精子发生——精子细胞的产生——包括精原干细胞通过一个复杂的过程分化成成熟精子。这一过程的中断是男性不育的常见原因,每六对夫妇中就有一对受到影响。科学家们对精子发生的了解大多来自于对老鼠的研究。

然而几年前,布拉德利·凯恩斯博士,哈佛大学健康学院肿瘤学教授兼主席、亨茨曼癌症研究所首席学术官领导了一项研究,该研究使用基因组分析工具跟踪人类精子干细胞的这一多阶段过程。他的小组确定了精子干细胞成熟的四个不同的细胞阶段,揭示了干细胞如何从“静止”状态发展到“增殖”状态,在此期间干细胞分裂,最后“分化”状态,即干细胞成熟成为精子。

在目前的研究中,Cairns及其同事使用单细胞RNA测序分析构建了人类胎儿和出生后睾丸中表达的所有基因图谱。这项分析显示,胚胎原始生殖细胞(所有生殖细胞(包括精子细胞)的前体)在受精后仅需要大约14周,就可以过渡到与研究人员在之前的研究中确定的成年细胞的静止状态高度相似的细胞状态。

凯恩斯说:“这些细胞的身份在胎儿发育早期就确定了,然后保持不变,直到青春期。”

此外,研究人员发现,负责产生睾酮和在睾丸内创造各种支持结构的体细胞,包括发生精子发生的生精小管,来自受精后约7周的一个共同的未分化祖细胞池。

“随着我们对人类睾丸发育了解的更多,我们培养这些细胞的努力在体外——或者在一个盘子里——可以变得更加复杂,”首席作者郭景涛博士说,他是外科助理教授。“一旦我们开发出准确的在体外在这个过程的模型中,我们有可能培养我们已经识别的干细胞,并有希望推动它们的发展,一直到有功能的精子。这是在实验室中实现精子发生的途径,可能是不孕患者的一种治疗方法。”

研究人员已经成功地从小鼠的干细胞中培养出了精子细胞,但在人类身上复制这一过程一直具有挑战性。“(人类)干细胞要么死亡,要么分化成体细胞。在过去,这是一个彻底的失败,但我们计划使用我们的数据来探索前进的道路,”凯恩斯说。

研究人员的发现揭示了小鼠和人类的一个显著差异,即在支持原始生殖细胞分化的细胞和原始生殖细胞本身转变为精子干细胞之间,只有人类表现出大约8周的间隔。

“在人类中,似乎体细胞支持细胞首先分化,这样它们就可以引导原始生殖细胞进一步转变为精子干细胞,”郭说。

凯恩斯说,在这段间隔期间发生的变化,以及支持细胞发送给干细胞的信号,可能对在实验室中成功地概括干细胞存活和精子发生至关重要。“我们需要继续直接研究人类精子干细胞,并识别小鼠和人类之间的差异,然后利用这些差异来促进在体外人类精子干细胞的生长,”他说。“这项研究为能够开展这类工作奠定了基础。”

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这项研究发表在“发育中的人类睾丸的单细胞分析揭示了体细胞小生境细胞的规格和胎儿生殖系干细胞的建立,并得到了霍华德·休斯医学研究所、美国国立卫生研究院、瑞典儿童癌症基金会、瑞典研究理事会、MagnusBergvall基金会以及Birgitta和Carl-Axel Rydbeck儿科研究基金的支持。