突破性研究推动人类体外配子发生用于治疗不孕症

根据世界卫生组织 (WHO) 的数据，全球约有六分之一的人在一生中患有不孕症。不孕症——根据美国生殖医学会 (ASRM) 的定义——是一种疾病、病症或状态，其特征是“根据患者的医疗、性和生殖历史、年龄、身体检查结果、诊断测试或这些因素的任何组合无法成功怀孕”或需要医疗干预，例如使用成熟的供体配子“以个人或与伴侣成功怀孕”。尽管辅助生殖技术 (ART)，例如体外受精(IVF)，在治疗某些形式的不孕症方面产生了巨大影响，但并非所有形式的不孕症（根据 ASRM 的定义）都可以通过现有策略进行治疗。

最近，出现了一种强大的技术——人类体外配子发生 (IVG)——利用来自患者的多能干细胞 (PSC)，例如诱导多能干细胞(iPSC)，生成具有在培养中产生成熟配子能力的人类生殖细胞，为治疗所有形式的不孕症提供了途径——与性别无关。尽管如此，人类 IVG 研究仍处于起步阶段，目前的目标是重建人类配子发生的完整过程。迄今为止，一个主要挑战是在生殖细胞的创始群体或人类原始生殖细胞 (hPGC) 中重现一个标志性事件，即表观遗传重编程——其中存在于其 DNA 上的细胞遗传亲代“记忆”被重置/删除——这是正确生殖细胞分化所必需的。

现在，在《自然》杂志上发表的一项研究中，京都大学人类生物学高级研究中心（WPI-ASHBi）的研究人员在 Mitinori Saitou 博士的领导下，确定了驱动表观遗传重编程和生殖细胞分化为成熟配子前体、具有广泛扩增能力的有丝分裂原精原细胞和原卵原细胞所必需的稳健培养条件，为人类 IVG 研究树立了新的里程碑。

Saitou 团队和其他团队之前的研究成功地从体外PSC 中生成了所谓的人类原始生殖细胞样细胞 (hPGCLC) ，这些细胞重现了 hPGC 的几个基本特征，包括繁殖能力。然而，这些 hPGCLC 无法进行表观遗传重编程和分化。虽然可以通过将 hPGCLC 与小鼠胚胎（非生殖）性腺细胞聚集以模拟睾丸/卵巢的微环境来绕过这些限制，从而有效地“重建”组织。然而，这个过程效率极低（大约只有 1/10^的细胞分化）。此外，从临床应用的角度来看，引入非人类细胞既不理想也不实用。因此，为了实现人类 IVG 研究的最终目标，必须确定产生成熟人类配子所需的最低培养条件。

在这项新研究中，Saitou 及其同事进行了基于细胞培养的筛选，以确定驱动 hPGCLC 表观遗传重编程和分化为有丝分裂原精原细胞和卵原细胞所需的潜在信号分子。令人惊讶的是，作者发现，众所周知的发育信号分子骨形态发生蛋白 (BMP) 在 hPGCLC 的这一重编程和分化过程中发挥了关键作用。

事实上，考虑到 BMP 信号在生殖细胞特化中已经发挥了既定作用，它也能驱动 hPGCLC 表观遗传重编程是十分出乎意料的。”

Mitinori Saitou 博士，京都大学

值得注意的是，这些 hPGCLC 衍生的有丝分裂原精原细胞/卵原细胞不仅在基因表达和表观遗传特征上与我们体内实际的 hPGC 分化相似，而且还经历了广泛的扩增（超过 100 亿倍）。“我们的方法能够在培养物中近乎无限地扩增有丝分裂原精原细胞和卵原细胞，我们现在还能够根据需要储存和重新扩增这些细胞，”Saitou 说。

作者还揭示了 BMP 信号传导如何导致表观遗传重编程和 hPGCLC 分化的潜在机制。Saitou 解释说：“BMP（信号传导）似乎正在减弱 MAPK/ERK（丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节激酶）信号通路以及DNMT（DNA 甲基转移酶）的从头和维持活性，但还需要进一步研究以确定确切的机制以及这是直接的还是间接的。”

Saitou 表示：“我们的研究不仅代表了我们对人类生物学和人类表观遗传重编程背后原理的理解的根本性进步，而且也是人类 IVG 研究的一个真正里程碑。”

Saitou 评论道，“尽管仍存在许多挑战，而且道路肯定还很漫长，特别是考虑到与人体 IVG 临床应用相关的伦理、法律和社会影响，尽管如此，我们现在已经在将 IVG 转化为生殖医学方面取得了重大的飞跃。”

该研究结果于2024年5月20日^发表在《自然》杂志上。