魚類生殖干細胞體外誘導精子發(fā)生研究取得進展

近日，上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院李名友和桂朗團隊開創(chuàng)性地應用魚類生殖干細胞培養(yǎng)技術(shù)，首次建立了馬口魚的精原干細胞系和長江刀鱭的性腺體細胞系，通過體外長期培養(yǎng)后成功產(chǎn)生精子，突破了目前世界范圍內(nèi)經(jīng)濟魚類生殖干細胞無法長期培養(yǎng)的問題，為魚類瀕危物種保護、重要經(jīng)濟魚類種質(zhì)創(chuàng)制、生殖干細胞基因編輯等提供了一條新途徑。

精原干細胞經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂產(chǎn)生精子，將遺傳信息傳遞給下一代，從而能保證物種的延續(xù)。大量的研究表明，體外重塑精子發(fā)生微環(huán)境可誘導精原干細胞系分化產(chǎn)生精子。在魚類研究中，體外獲得精原干細胞系并能夠進行長期培養(yǎng)是關(guān)鍵性的技術(shù)難題。全球的研究機構(gòu)都在探索可以獲得長期穩(wěn)定培養(yǎng)的精原干細胞系，但通常只能獲得最長1個月的魚類精原干細胞系。

在本研究中，馬口魚精原干細胞系經(jīng)過2年多的培養(yǎng)，仍具有二倍體核型，生長穩(wěn)定，具有典型的精原干細胞基因表達模式。在體外培養(yǎng)條件下，馬口魚精原干細胞系可以誘導分化為精子和其他不同類型的體細胞。在體外培養(yǎng)條件下，馬口魚精原干細胞系在懸浮培養(yǎng)中形成擬胚體。用視黃酸連續(xù)處理1周后，分化成神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和上皮細胞等多種體細胞，這表明馬口魚精原干細胞系在體外具有多能性。為了模擬體外減數(shù)分裂過程，團隊將馬口魚精原干細胞系與馬口魚精巢細胞共培養(yǎng)。分別收集精巢細胞和表達紅色熒光(RFP)的馬口魚精原干細胞，通過流式細胞進行染色體檢查，發(fā)現(xiàn)細胞可以進入并完成減數(shù)分裂以產(chǎn)生單倍體產(chǎn)物。在共培養(yǎng)的第14天，觀察到表達RFP的精子細胞，表明馬口魚精原干細胞逐漸誘導為未成熟精子細胞。共培養(yǎng)16 d后，觀察到表達RFP的馬口魚精原干細胞分化為更成熟的精子，尾部有輕微擺動行為。本研究驗證了在合適的誘導條件下，馬口魚精原干細胞可以誘導產(chǎn)生精子細胞。

研究表明，馬口魚精原干細胞在體內(nèi)也具有多能性，將表達RFP的馬口魚精原干細胞移植到斑馬魚胚胎中發(fā)現(xiàn)，供體與斑馬魚胚胎發(fā)育形成了嵌合體并表現(xiàn)出正常的增殖和分化能力，能發(fā)育成來源于3個不同胚層的細胞。

與此同時，研究表明，體細胞在精子發(fā)生過程中扮演著重要角色，可通過運用體細胞與精原干細胞共培養(yǎng)條件模擬體內(nèi)微環(huán)境，誘導精原干細胞體外分化，經(jīng)歷減數(shù)分裂產(chǎn)生精子細胞。在長江刀鱭體細胞系的研究中，將刀鱭性腺體細胞與表達RFP的青鳉精原干細胞系共同培養(yǎng)2 d后，可以觀察到緊密排列的多細胞集落，具有明顯的胚狀體邊界。青鳉精原干細胞的形態(tài)發(fā)生了變化，觀察到圓形精子細胞轉(zhuǎn)化為伸長的精子細胞，并帶有新形成的鞭毛。因此，刀鱭性腺體細胞具有誘導青鳉精原干細胞分化為精子的能力。

此次研究突破了養(yǎng)殖魚類精原干細胞無法長期培養(yǎng)的問題，通過體內(nèi)外的多角度誘導和移植研究，使精原干細胞在體外形成了精子。這為對精原干細胞的進一步研究和認識提供了基礎(chǔ)，也為保護魚類瀕危物種、優(yōu)化具有重要經(jīng)濟價值魚類育種的方式提供了新的思路。今后，李名友、桂朗團隊還將結(jié)合干細胞培養(yǎng)和誘導技術(shù)、基因編輯技術(shù)和細胞移植技術(shù)等多種研究手段，建立繁殖困難、繁殖周期長、珍稀或瀕危魚類生殖干細胞體系，開展生殖干細胞基因編輯介導的養(yǎng)殖魚類優(yōu)良種質(zhì)創(chuàng)制新技術(shù)。

此次兩項研究成果以“Generation of a normal long-term-cultured Chinese hook snout carp spermatogonial stem cell line capable of sperm production in vitro”和“Establishment of aCoilianasusgonadal somatic cell line capable of sperm induction in vitro”為題發(fā)表于Biology上。