多能性干細胞在體外成功重建支持卵母細胞發育的卵泡

　　生殖細胞在生殖器官的特定環境中發育。在整個卵子發生過程中，卵母細胞被體細胞包裹在卵泡結構中，卵泡結構為卵母細胞發育的關鍵事件（如減數分裂和生長）提供了許多至關重要的信號和成分。卵母細胞和卵泡結構中的體細胞之間的相互作用是以一種發育階段依賴性的方式進行調節。最近，體外配子發生，即利用多能型干細胞在體外細胞培養中重建生殖細胞發育，已經在包括小鼠和人類在內的哺乳動物物種中實現。在小鼠中，多能性干細胞衍生的原始生殖細胞樣細胞（primordial germ cell–like cell, PGCLC）與胚胎第12.5天的胚胎卵巢體細胞重新聚集，可產生功能性卵母細胞。因此，體外配子發生有望成為在體外培養中產生大量卵細胞的創新手段。這對于應用于人類和瀕危動物應該是特別有用的。然而，生殖細胞發育的體外重建高度依賴于胚胎卵巢組織所提供的體細胞環境，而這種環境很難從哺乳動物物種中獲得。

　　基于此，在一項新的研究中，日本研究人員提供一種模型系統，用于利用小鼠多能性干細胞重建卵巢體細胞環境。相關研究結果發表在2021年7月16日的Science期刊上，論文標題為“Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells”。

　　在小鼠發育過程中，胚胎卵巢起源于新生中胚層，其次是中間中胚層和生殖嵴區（genital ridge region）的體腔上皮（coelomic epithelium）。為了利用小鼠多能性干細胞形成胚胎卵巢體細胞，需要在體外培養中提供適當的信號來模擬一系列在體內發生的胚胎事件。利用攜帶監測每個步驟的關鍵基因表達的報告基因的小鼠胚胎干細胞（mESC），這些作者著手探索重建這種分化過程所需的體外培養條件。誘導的胚胎卵巢體細胞應在適當的條件下賦予其可靠的基因表達和功能。這些誘導的胚胎卵巢體細胞的功能應通過支持產生能夠受精和后續發育的功能性卵母細胞的能力來驗證。

完全利用小鼠多能干細胞重建卵泡結構，包括卵母細胞。圖片來自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe0237。

　　根據報告基因的表達，這些作者確定了一系列的培養條件是以逐步的方式重現從多能性干細胞到性腺體細胞的分化過程所必需的。在這些條件下，mESC通過新生中胚層、中胚層和體腔上皮細胞狀態，分化為表達Nr5a1的胎兒卵巢體細胞樣細胞（fetal ovarian somatic cell–like cell, FOSLC），其中Nr5a1是性腺體細胞的代表性標志基因。FOSLC表現出與胚胎第12.5天的胚胎卵巢體細胞類似的轉錄特征和細胞組成。當FOSLC與mESC衍生性的PGCLC聚集在一起時，PGCLC進入減數分裂，隨后的卵母細胞生長伴隨著FOSLC衍生的卵泡在體外培養中的發育。在FOSLC衍生的卵泡中發育的PGCLC衍生性卵母細胞能夠受精并發育成活的后代。這些結果表明，這種重建的功能性卵泡結構完全能夠支持卵母細胞的產生。

　　綜上所述，這些研究結果表明在體外培養中，mESC可以通過一種可靠的分化過程誘導出功能性的性腺體細胞。所產生的性腺體細胞可以作為一個有用的來源，以取代體外配子發生所需的胚胎卵巢組織。此外，這種方法有助于更好地了解性腺體細胞的分化以及卵母細胞和卵泡體細胞之間的相互作用。由于它不需要胚胎性腺，該方法為在其他哺乳動物物種中的應用提供了可能性，并減少了倫理和技術問題。它將加速科學家們對性腺發育的理解，并為研究和繁殖提供一種替代性的配子來源。