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Cell、Nature及Science的争议:中国科学家在培养皿中造精子产后代

2016/02/27 来源:生物探索
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导读
2016年2月26日凌晨,国际顶级期刊《Cell Stem Cell》在线报道了中国科学家成功在实验室中造出小鼠功能性精子,为今后治疗男性不育症的临床研究搭建简单可行的平台。


2016年2月26日凌晨,国际顶级期刊《Cell Stem Cell》在线报道了中国科学家成功在实验室中造出小鼠功能性精子,为今后治疗男性不育症的临床研究搭建简单可行的平台。该研究由中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室的周琪院士、赵小阳研究员与南京医科大学生殖医学国家重点实验室的沙家豪教授组成研究团队联合攻关完成。

Cell子刊:中国科学家在实验室中利用造出功能性精子


男性如何产生精子,这是长久以来蕴藏在男性生殖器中的奥秘。一直以来,科学家都在尝试如何在实验室中实现人类以及其他哺乳动物产精子的过程,但大多数都以失败告终,精子的发育似乎依赖于睾丸中的独特条件。但中国科学家发表于《Cell Stem Cell》杂志上的这项新技术可能最终使该过程公开化:中国科学家将某种类型的小鼠干细胞转变成类精子细胞,并与卵子受精最终孕育出健康的幼鼠,该方法可帮助研究人员更直接地研究哺乳动物的精子发育过程,为男性不孕症的治疗开启新方向。

早些年,也有一些实验室试图在培养皿中利用早期胚胎干细胞生产精子,因为胚胎早期干细胞在人体内可分化成任何类型的细胞。但减数分裂的多级过程涉及到了复杂的配对和细胞DNA的分离,使得多数研究在后期都以失败告终。2011年,日本东京大学的一个研究小组将老鼠胚胎干细胞(ES)诱导成可生产精子和卵子的原始生殖细胞样细胞(PGCs),但要完成精子的发育过程,必须将这些原始生殖细胞样细胞(PGC)移植到小鼠的睾丸内,这意味着生物学家不能观察到所有的减数分裂过程,且任何临床过程必须将细胞返回到人体中才能实现,这可能导致肿瘤的发生。

由中国科学院及南京医科大学的研究人员引领的此项研究中,移植变成了不必要的过程。研究人员第一步运用了京都大学的方法将小鼠胚胎干细胞(ESC)诱导分化成原始生殖细胞样细胞;第二步,研究人员模拟原始生殖细胞(PGC)体内发育的“自然组织环境”,即与睾丸细胞共培养并添加性激素如睾酮等。最终,小鼠胚胎干细胞来源的原始生殖细胞样细胞擦除基因印迹,完成减数分裂,最终产生了功能性精子样细胞,具备上述“黄金标准”,借助胞浆内单精注射(ICSI)产生健康后代。

通过在体外观察完整的精子发育过程,研究人员可以解决一些基本的问题:减数分裂的触点是什么?睾丸周围的细胞如何接触这个过程?分裂过程中细胞中染色体如何达成配对和分离?

Science和Nature报道,科学家的肯定与怀疑


中国科学家的此项研究受到了国际国内的关注,Nature、Science、BBC等各大国际媒体也于第一时间报道了此事。在体外获得拥有功能性的生殖细胞一直是科学家面临的难题,而中国科学家的此项研究给该领域带来了很大惊喜,然而,也有部分科学家对该结果持有怀疑的态度。

荷兰Hubrecht研究所干细胞生物学家Niels Geijsen说,“这是相当惊人的,如果这些都是真的,那么将是多年尝试与失败后的奇迹,但该试验结果的可复制性不免让人有些担忧。”如果该过程能复制,那么该技术将为研究者提供第一个完整的哺乳动物减数分裂的过程,减数分裂是睾丸和卵巢中形成精子和卵子的过程。

美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学马基妇科研究所、专注于男性不育症的干细胞生物学家Kyle Orwig说,“如果类似的技术可以产生人类精子细胞,那么影响将是巨大的,某些特定类型的不育症患者尤其是那些化疗后仍无法生产功能性精子的患者将受益于该技术,如果将患者身体中的其他细胞重编程为干细胞并促使发育成为精子,他们仍有希望生育属于自己的孩子。”

由于小鼠和人胚胎细胞的发育不同且所需的条件也可能不同,因此该技术在临床上应用还很遥远。然而,这个概念是令人鼓舞的,波斯顿哈弗医学院的干细胞研究员George Daley 说,“如果该技术在老鼠身上起作用,那么没有任何生物理由认为它不会在人类中起效,但必须对发育所需条件给出实际的定义。”

对于该结果,不少科学家持有怀疑的态度。创造原始生殖细胞样细胞的研究人员,日本京都大学干细胞生物学家Mitinori Saitou对该研究提出了几点质疑。Mitinori Saitou在Science网站上说,“我们必须对本次研究持谨慎态度”。他对文中的几个细节感到奇怪:本次研究中细胞培养在37℃的环境中,这比传统的温度高了3℃,这些潜在的热度足以阻碍精子的发育。同时他指出,荧光成像为了证明培养皿中存在原始生殖细胞样细胞,并没有显示这些细胞生长所需要的蛋白质,这意味着作者可能不是已经创建了原始生殖细胞样细胞。本文作者赵小阳表示蛋白表达与原始生殖细胞样细胞一致,且研究人员在34℃和37℃所观察到的结果一致。

同时Nature也报道了科学家对此研究提出的其他具体问题,这些问题涉及到了精子细胞形成的时间问题。作者在本研究中表示,在遗传分析的基础上,人工原始生殖细胞样细胞与12.5天的老鼠细胞类似,但Saitou及其他科学家说这些人工的原始生殖细胞样细胞看上去更像9.5日龄的细胞。

生殖细胞发育的其他阶段也令一些科学家意外:实际在老鼠体内,需要超过4周的时间使原始生殖细胞形成精子,但在本研究中,人工原始生殖细胞与精子中间间隔只有14天。Saitou表示对此结果很惊讶,他认为这几乎是不可能的,他计划对该结果进行重复试验。

对此,研究人员周琪表示他们对该结果非常有信心,并表示该方法可以在其他实验室中重复进行,在培养皿中生产精子与在活体小鼠中产精子存在差异是很正常的,研究中部分过程加速可能是因为细胞似乎已经跳过了一个“逮捕”状态,但原始生殖细胞的发育通常是要经历该过程。但Saitou反驳说,这个过程对原始生殖细胞的正常发育至关重要,这个过程加速,精子可能是不正常的。

后续

今后,研究人员计划在基础研究和临床治疗两方面将这项研究深入下去:检测该技术产生的子代小鼠基因是否正常,将该技术应用到其他动物身上,使用其他争议少的细胞,例如从睾丸组织中提取和低温储藏干细胞。赵小阳表示他们将进一步优化培养条件,最终利用人类细胞来重复该试验。当然,这项实验室工作距离临床治疗还长路漫漫,可能的危险性必须排除,使用胚胎干细胞的伦理学问题也需要慎重考量。

备注:本文根据Nature、Science网站编译

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