诱导多能干细胞体外定向分化为雄性生殖细胞研究进展

诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS）是借助基因导入技术将某些转录因子导入人或动物的体细胞,使体细胞重编程而得到的多能性细胞。iPS细胞来源丰富,研究表明利用不同的载体诱导系统或不同的转录因子组合,多种体细胞都可被重编程为iPS细胞,如成纤维细胞、肝细胞、角质细胞及脐带血细胞等。作为干细胞中新的一员,iPS细胞在克隆形态、基因表达模式、表面标志物、拟胚体形成、畸胎瘤及嵌合体形成（小鼠）、分化能力等方面与胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC）非常相似。与胚胎干细胞一样,在特定的诱导条件下,iPS细胞在体外可被诱导分化为多种细胞,如心肌细胞、血细胞、生殖细胞等,进一步拉近了干细胞和临床疾病治疗的距离,iPS细胞也成为细胞治疗及组织器官再生最有前景的种子细胞,在细胞替代性治疗、发病机理研究及新药筛选方面具有潜在价值。雄性不育不仅影响人类正常健康生活,对畜牧业的发展也极为不利。国内外的研究成果表明,给予适当的诱导物及诱导条件,人和小鼠的iPS细胞体外可被诱导分化为原始生殖细胞（primordial germ cells, PGCs）、精子细胞及其前体细胞。这些研究不仅避免了胚胎干细胞研究领域存在的取材困难、免疫排斥和伦理道德等问题,还为揭示雄性生殖细胞的发育机制及研究雄性不育提供了较好的研究平台。由人iPS细胞诱导得到的雄性配子可为患者提供自身的雄性配子产生后代,避免了免疫排斥问题,为未来治疗雄性不育带来曙光。iPS细胞体外诱导分化技术对现代畜牧业发展也具有巨大的潜在应用价值,可进行转基因动物的生产。现从不同的诱导剂、不同的培养条件及iPS细胞体外诱导分化优势等方面,对iPS细胞体外定向诱导分化为雄性生殖细胞的研究进展及应用前景进行综述和展望。     

胚胎干细胞与胚胎生殖细胞

胚胎干细胞与胚胎生殖细胞同属于胚胎源的多潜能干细胞。胚胎干细胞是从附置前胚胎内细胞团分离而来的,而胚胎生殖细胞来自胎儿原始生殖细胞。二者在现代生命科学的各个领域都有着广阔的应用前景。对胚胎生殖细胞的特性,胚胎干细胞与胚胎生殖细胞的异同以及二者的应用前景作一综述。     

利用绒山羊原始生殖细胞培养胚胎干细胞的研究

[目的]建立绒山羊胚胎干细胞体系。[方法]采用与其胎儿成纤维细胞共培养的方式从20 mm绒山羊胎儿生殖嵴及其周围组织分离克隆出大量原始生殖细胞(PGCS)集落。[结果]这些集落的细胞经过多次传代具有胚胎干细胞(ES)的诸多特征,如鸟巢状结构、AKP染色阳性、具有连续传代能力等。[结论]该细胞具有多能性,类似ES细胞。     

蛋白质代谢通路对鸡雄性生殖细胞分化的调控

【目的】探究蛋白质代谢在鸡雄性生殖细胞分化过程中的作用机制,为完善鸡胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESC)体外向雄性生殖细胞诱导分化体系研究提供依据。【方法】采用流式分选的方法获取高纯度的ESC、原始生殖细胞(primordial germ cells,PGCs)和精原干细胞(spermatogonia stem cell,SSCs),分别提取细胞的总RNA,采用RNA-Seq方法对3种细胞的转录本进行深度测序,然后进行WEGO(web gene ontology)和KEGG(kyoto encyclopedia of genes and genomes)通路富集分析,筛选出鸡雄性生殖细胞分化过程中参与蛋白质代谢的关键通路及其关键基因,RT-q PCR(Real time Quantitative PCR)检测部分关键差异基因的表达变化,并与RNA-Seq(RNA sequencing)结果进行比较分析,同时分别从体内和体外水平对关键基因NOS2进行抑制,观察各分组不同天数的细胞形态变化及检测NOS2和C-kit、Cvh、Stra8、Dazl、integrinα6和integrinβ1等生殖标记基因表达变化情况。【结果】在雄性生殖细胞分化的整个阶段,有697个差异基因参与生物代谢,显著富集于精氨酸-脯氨酸代谢通路、酪氨酸代谢通路以及色氨酸代谢通路,在这3条通路上筛选出NOS2、FAH和IDO等关键性基因,这些基因的在ESCs向SSCs分化过程中表达变化趋势与其在RNA-Seq中的结果一致。体内抑制NOS2基因后,NOS2及C-kit、Cvh、Stra8、Dazl、integrinα6和integrinβ1等生殖标记基因在空白组和对照组之间无显著性的差异,而在抑制剂组中,NOS2及C-kit、Cvh、Stra8、Dazl、integrinα6和integrinβ1等生殖标记基因的m RNA表达量均出现了降低;而体外抑制NOS2基因后,对照组中的ESCs在2、4、6、8和10d内细胞不断增殖,但是未出现类胚体;RA诱导组中,2d出现小的类胚体,4d类胚体增大,且数量增多,6d类胚体边缘开始出现破裂,8d类胚体解体,10d出现类精原样细胞;抑制剂组中,ESCs在2、4、6、8和10d内无类胚体出现,且相较于对照组细胞增殖缓慢;RA+抑制剂组中,2和4d内无类胚体出现,细胞增殖缓慢,6d出现小的类胚体,8d类胚体数量少量增多,且体积稍显增大,10d类胚体开始裂解。并且经过抑制剂的抑制后,NOS2及C-kit、Cvh、Stra8、Dazl、integrinα6和integrinβ1等生殖标记基因的表达量在RA诱导组、抑制剂组和RA+抑制剂组中相对于对照组均呈显著性或极显著性的下调趋势。【结论】基于RNA-Seq技术及生物信息学方法筛选出ESCs向雄性生殖细胞分化过程中精氨酸-脯氨酸代谢通路及关键基因NOS2的基础上,通过对NOS2基因在鸡体内和体外的抑制,发现NOS2在被抑制后,ESCs向雄性生殖细胞分化的过程受到抑制。说明了精氨酸-脯氨酸代谢通路及关键基因NOS2对ESCs向雄性生殖细胞分化过程中起到重要的调节作用。     

利用绒山羊原始生殖细胞培养胚胎干细胞的研究(英文)

[目的]建立绒山羊胚胎干细胞体系。[方法]采用与其胎儿成纤维细胞共培养的方式从20mm绒山羊胎儿生殖嵴及其周围组织分离克隆出大量原始生殖细胞(PGCS)集落。[结果]这些集落的细胞经过多次传代具有胚胎干细胞(ES)的诸多特征,如鸟巢状结构、AKP染色阳性、具有连续传代能力等。[结论]该细胞具有多能性,类似ES细胞。     

原始生殖细胞的人类胚胎干细胞克隆

取材于妊娠终止胚胎生殖腺或生殖嵴及其周围组织,用ＤＭＥＭ＋ＮＣＳ培养液体外培养,分离由人ＰＧＣｓ转化成的类ＥＳ细胞,并将其与同源胚胎成纤维细胞一起用胰蛋白酶＋ＥＤＴＡ的无钙镁ＰＢＳ液消化传代。在原代培养１２ｈ观察到胞体较大、边缘不整、贴壁分裂增殖的ＰＧＣｓ样细胞,４８ｈ后观察到２６处紧密排列呈鸟巢状的类ＥＳ细胞集落及集落团。第６ｄ传代成功,第１６ｄ传至第４代。结果表明,体外培养附植后胚胎能够建成人的类ＥＳ细胞系。     

SSEA-1、SSEA-3、Oct-4及hTERT在人胚胎生殖细胞中的表达

分离5~9周人胚胎生殖腺嵴和背侧肠系膜,采用组织块法进行体外培养,免疫细胞化学染色法检测SSEA-1、SSEA-3、Oct-4及hTERT在人胚胎生殖细胞中的表达,以证实利用组织块体外培养所获得的细胞为未分化的人胚胎生殖细胞。结果表明:组织块体外培养得到的细胞或细胞集落均阳性表达SSEA-1、SSEA-3、Oct-4及hTERT,说明组织块体外培养获得的细胞为未分化的人胚胎生殖细胞。     

BMP4在诱导骨髓间充质干细胞向生殖细胞分化中的作用

为了探讨骨形态发生蛋白4(bone morphogenetic protein 4,BMP4)在诱导骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)向生殖细胞分化中的作用,将全骨髓培养法获取小鼠BMSCs,在含10%胎牛血清(fetal bovine serum,FBS)的DMEM培养液中培养传代;取生长状态良好的第三代(P3)BMSCs,分别添加不同浓度(5、10、20、40和80ng·mL~(-1))的BMP4作为实验组,未添加BMP4为对照组。4d后,MTT法和台盼蓝染色检测细胞的增殖率和存活率,实时定量PCR(RT-qPCR)检测生殖细胞阶段特异性基因(Oct4、Dazl、Fragilis、Mvh、Nobox、Stella、Stra8和Gdf9)的表达。结果发现,BMP4浓度为5~20 ng·mL~(-1)时细胞存活率和增殖率最高;BMP4浓度为20 ng·mL~(-1)组Mvh、Fragilis、Oct-4、Dazl及Stella表达水平最高,均显著高于对照组(P0.05);Nobox表达水平则在BMP4浓度40ng·mL~(-1)组最高,且各浓度组均显著高于对照组(P0.05);各浓度BMP4组Stra8和Gdf9的表达水平均与对照组间无显著性差异(P0.05)。此结果提示,BMP4浓度在20 ng·mL~(-1)时,BMSCs的存活率、增殖率及原始生殖细胞特异性基因的表达最高;BMP4在诱导间充质干细胞向生殖细胞分化过程中起重要作用。     

绵羊精原干细胞移植受体内源性生殖细胞的消除研究

试验拟建立绵羊精原干细胞移植受体内源性生殖细胞的消除技术.将8只5月龄小尾寒羊公羊随机分为4组,各组第2次处理后3周,公羊睾丸活体采样,石蜡切片、HE染色验证处理效果.结果表明,白消安处理公羊可以完全消除内源性精原干细胞和其他生殖细胞.LHRH、LH疫苗处理的公羊,只能使部分精子发生丧失和生殖细胞消除.白消安是精原干细胞移植受体绵羊内源性生殖细胞最有效的消除技术.     

湖北白猪精原干细胞分离培养及初步鉴定

以5日龄、10日龄和15日龄湖北白猪睾丸为主要研究对象,采用浓度为4 mg/mLⅣ型胶原蛋白酶联合0.25%胰蛋白酶两步酶法消化法获取湖北白猪精原干细胞,通过低速离心和差异贴壁法对湖北白猪精原干细胞进行纯化,以湖北白猪睾丸支持细胞作为饲养层进行体外培养,结合碱性磷酸酶(AKP)进行染色鉴定。结果表明,培养获得的细胞即为目的细胞SSCs。     

自原始生殖细胞分离克隆小鼠ES细胞研究初报

自交配后 9.5～ 13.5 d小鼠胎儿生殖嵴 /腺或其类似物及周围组织 ,采用与其同源胎儿成纤维细胞共培养的方式分离克隆到具小鼠 ES细胞诸多特征的胚胎生殖细胞 ( EG细胞 )系。即具有连续传代的能力 ( 1例来自交配后 11.5 d胎儿类 ES细胞传至 10代 ) ,部分细胞集落呈典型鸟巢状结构 ,AP染色呈阳性 ,体外分化或延迟传代、堆叠培养具有分化形成类胚体、上皮细胞、成纤维细胞或神经细胞等的能力。同样培养交配后 7.5～ 8.5 d和14.5～ 15 .5 d的小鼠胎儿 ,原代观察到类 ES细胞集落 ,继代培养未观察到类 ES细胞集落 ,16 .5～ 18.5 d小鼠胎儿原代培养未观察到 ES样细胞集落     

猪胚胎干细胞的分离培养

收集26-27d的猪胚胎分离原始生殖细胞(Primordial germ cells，PGCs)，培养在STO细胞饲养层上生长，形成EG细胞。EG细胞具有干细胞所具有的显著特性，形态，多能性和种系的延续，AKP染色阳性，并能在体外分化；分别将PGCs用三种不同的培养基培养，在形成EG细胞集落的数量和EG细胞分化上有着明显的差距，说明血清的质量和浓度以及细胞因子对干细胞的生成和增殖有着重要的作用。     

山羊原始生殖细胞的分离与培养

从46例山羊胎儿中分离培养原始生殖细胞,发现胎龄在25～38d的胎儿原代培养时都可获得大量的细胞集落,适合做胚胎生殖细胞的分离培养,最高传至6代。以小鼠胎儿成纤维细胞(MEF)、山羊胎儿成纤维细胞(GEF)、牛胎儿成纤维细胞(BEF)为饲养层,在不添加细胞因子情况下,都可以培养出原代山羊的胚胎生殖细胞。传代结果表明,MEF的培养效果较好,但与GEF组差异不显著(P>0.05),BEF组培养效果较差(P<0.05)。以3个不同质量浓度LIF的培养液培养山羊原始生殖细胞(PGC)结果表明,在原代培养时,效果差异不显著(P>0.05);而在传代过程中,以含LIF10ng/mL组培养效果最好,但与含LIF5ng/mL组差异不显著(P>0.05),LIF1ng/mL组培养效果较差(P<0.05)。     

人类饲养层及无血清培养体系培养人类胚胎生殖细胞研究

使用人类胚胎皮肤成纤维细胞(hESF)作饲养层,以血清替代物及一些细胞因子作无血清培养基,培养人类胚胎生殖(hEG)细胞。结果显示,在该培养体系下,人类胚胎生殖细胞能够存活、增殖,并表现出干细胞特有的形态学特征,具有很高的碱性磷酸酶(AP)活性,在体外能够保持未分化状态50 d左右。接种hEG细胞后,该体系能够比以前的人类胚胎生殖细胞培养体系形成更多的集落,并且这些集落AP活性维持更久。结果为人类胚胎生殖细胞的基础研究和临床应用提供了一种更为安全的培养方法。     

山羊胚胎原始生殖细胞的分离与培养

选择受精后30～50d的关中奶山羊胎儿为材料,参照小鼠原始生殖细胞(PGCs)分离得到了山羊的PGCs,将其分别培养在STO饲养层上,或与同源山羊成纤维细胞(GEF)及山羊睾丸支持细胞(GSCs)共培养。结果表明,3种方法均能获得类EG细胞。分离得到的类EG细胞在STO饲养层上仅传4代;培养在GEF上的效果最差,传至第3代时丢失;而在GSCs上培养的效果最好,可传6代。     

成年昆明小鼠雄性生殖干细胞的分离培养及其多能性研究

【目的】从成年昆明小鼠睾丸组织中分离具有多能性的雄性生殖干细胞(Male germline stem cells,mGSCs)。【方法】采用机械法和2步酶消化法分离出成年昆明小鼠的精原细胞,经差速贴壁后,培养在小鼠胎儿成纤维细胞(MEF)饲养层上,2周后得到类胚胎干细胞(ESCs)样mGSCs。对得到的mGSCs进行碱性磷酸酶(AP)染色、免疫荧光染色、RT-PCR、体内分化等检测。【结果】mGSCs具有类似ESCs的形态和多能性,AP染色呈阳性,免疫荧光Oct4、Vasa染色呈阳性,RT-PCR检测其表达Oct4、Nanog、Sox2等多能性基因和Vasa、C-kit等生殖细胞的标记基因,在免疫缺陷鼠体内能形成畸胎瘤,组织学检测其可形成包括3个胚层在内的多种类型细胞。【结论】从成年昆明小鼠睾丸分离的精原细胞,在体外培养去分化形成了具有类ESCs生物学特性的mGSCs,mGSCs既具有多能性,也具有生殖细胞的基本生物学特性。     

Reprogramming of the pig primordial germ cells into pluripotent stem cells: a brief review

Primordial germ cells (PGCs) are regarded as unipotent cells that can produce only either spermatogonia or oocytes. However, PGCs can be converted into the pluripotent state by first dedifferentiation to embryonic germ cells and then by reprogramming to induce them to become pluripotent stem cells (iPSCs). These two stages can be completely implemented with mouse cells. However, authentic porcine iPSCs have not been established. Here, we discuss recent advances in the stem cell field for obtaining iPSCs from PGCs. This knowledge will provide some clues which will contribute to the regulation of reprogramming to pluripotency in farm species.     

人类原始生殖细胞的体外培养

为了探讨人原始生殖细胞(primordial germ cells,PGCs)的体外分离培养条件及相关影响因素,以小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblasts,MEF)作为饲养层,室温下用1．25 g／L胰蛋白酶+0．2 g／L EDTA消化人胚胎组织5～9 min,或用1 g／L胶原酶(IV型)消化20～40 min,分离得到PGCs,然后用不同培养液培养,从培养液角度较为系统的研究原代培养人原始生殖细胞的条件。结果表明,在KSR培养液(体积分数15％ Knockout serum replacement+高糖DMEM+10 ng／mL人重组白血病抑制因子(LIF)+4 ng／mL人重组碱性成纤维细胞生长因子+10 ng／mL Forskolin)和STO(建系的小鼠胚胎成纤维细胞)条件培养液中培养的原代人原始生殖细胞,有较高的克隆形成率;培养液中添加不同质量浓度的LIF对克隆形成率影响差异不大。