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在干细胞研究领域，来自日本的科学家扮演了重要的角色。2012年，京都大学的山中伸弥教授因为在诱导多能干细胞（iPSC）方面做出的贡献，与John B. Gurdon教授共享了当年的诺贝尔生理学或医学奖。
在近日的《细胞-干细胞》杂志上，同样来自京都大学的一支研究团队在干细胞研究领域取得了新突破——他们用小鼠的多能干细胞，在试管中逐步分化出了有活力的精子！这些精子用于给雌鼠授精，成功诞生了健康、有生育能力的后代。研究人员指出，他们建立的方法为在试管中制造雄性生殖细胞提供了迄今为止最完整的范式。
研究人员介绍，在试管中从多能干细胞诱导生殖细胞的尝试已经进行了四分之一个世纪。尽管科学家们可以诱导多能干细胞产生心脏细胞、肝细胞、脑细胞等诸多类型的细胞，并用于实验性疗法，然而生殖细胞的特殊性带来了巨大的挑战。生殖细胞携带的染色体只有其他细胞的一半，细胞减数分裂的过程赋予了生殖细胞的多样性。而且，来自母亲的卵子和来自父亲的精子是父母全身细胞中传给下一代的唯一细胞。这意味着，“精子和卵子是一个物种维持和进化的驱动力。”研究负责人斋藤通纪（Mitinori Saitou）教授说。
▲本研究通讯作者斋藤通纪教授（图片来源：京都大学高等研究院官网）在小鼠中，由多能干细胞分化产生雌性生殖细胞（即卵子的产生）的整个过程已在体外完全重建。这篇论文则表明，在小鼠中，完全在体外用干细胞制造精子也是可行的。
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模拟自然发育，从干细胞产生精子的全过程由三个阶段组成。第一阶段是制造原始生殖细胞（PGCLC）；第二阶段原始生殖细胞确定性别，发育为雄性生殖细胞，也就是精原干细胞；最后产生精子。在实验室培养条件下实现第二个阶段最为困难。精原干细胞具有干细胞特性，在体内数量不多，但能终身产生精子。先前建立的小鼠精原干细胞制造方法所需的培养时间长，比在体内分化慢一周左右，并且生成精子的效率较低，不到20%。在本篇论文中，这支研究团队优化了诱导精原干细胞所需的条件，并建立了在体外从多功能干细胞到精子的完整产生过程，真实再现了雄性生殖细胞发育的三个阶段。
▲体外从多能干细胞到精子的完整产生过程，与体内精子产生过程相对应（图片来源：参考资料[1]）研究小组首先用小鼠胚胎干细胞（mESC）诱导产生原始生殖细胞样细胞（mPGCLC），并将其培养至DNA甲基化水平呈初始化状态。然后，研究人员建立了一种“重建睾丸新方法”（new reconstituted testis method），改进中间培养液，以气相-液相培养法制造出雄性生殖细胞。他们检查了10000多个原始生殖细胞样细胞在分化过程的中间状态。最终获得的精原细胞样细胞，在关键基因表达、甲基化状态、逆转录转座子控制、细胞周期动力学等多种特性上与小鼠体内产生的精原干细胞十分相似。最为重要的是，这些细胞作为生殖干细胞样细胞（GSCLC）可以长期稳健扩增，分化为精子的效率超过90%。
▲体外精子诱导法培养52天的样本，红色指示生殖干细胞样细胞（GSCLC），绿色指示精子，白色指示细胞核（图片来源：参考资料[2]；Credit：Takuya Sato教授，横滨市立大学）最后，利用体外精子诱导的方法，研究人员继续从生殖干细胞样细胞成功诱导出有功能的精子。研究人员将这些精子注射到小鼠的卵子中，获得的受精卵顺利发育，诞生了健康的小鼠。这些由干细胞体外培育的精子制造出的小鼠，长大后的生育能力与普通小鼠无异，能够正常产生下一代。斋藤教授总结说：“这是在试管中从小鼠多能干细胞重建功能性精子的首个研究，为雄性生殖细胞分化开辟了新的可能性。”
