京都大学高等研究院人类生物学高等研究所（WPI-ASHBi）的齐藤通纪所长（兼任医学研究科教授）与村濑祐介特定研究员、京都大学研究生院研究科的横川隆太（博士生）等人组成的研究团队发表研究成果称，确立了一项通过原始生殖细胞（PGCs）从人iPS细胞中大量分化诱导出精子和卵子的前身——前精原细胞和卵原细胞的技术。同时，研究团队还成功解明了前精原细胞和卵原细胞分化相关的表观基因组重组的分子机制。该研究成果有望为揭开不孕症等疾病的发病机制做出巨大贡献。相关研究成果于5月20日发表在国际学术期刊《Nature》上。
图1 左起：横川隆太博士生、斋藤通纪ASHBi所长/主任研究员、村濑佑介 特定研究员（供图：京都大学ASHBi）
在人类胚胎中，PGCs在受精后2周形成，之后移动到将来形成睾丸或卵巢的位置，在第6～10周分别进入到已成形的睾丸或卵巢中，并分化为前精原细胞或卵原细胞。
然而，由于难以获得人类胚胎以及伦理道德问题，对人类生殖细胞分化过程详细研究此前一直难以取得进展。尽管近年来已逐步解明了前精原细胞和卵原细胞的基因表达，但对其前期阶段——PGCs形成后的分化过程却知之甚少。
此前研究团队已从人iPS细胞中诱导出PGCs样细胞（PGCLCs），并进一步利用异种重组卵巢法将其分化为卵原细胞。然而，该方法在卵原细胞的制备效率以及依赖于小鼠胎儿卵巢体细胞的分化方面存在诸多难题。
此次研究团队利用其开发的PGCLCs维持培养法克服了上述难题，并确立了高效分化前精原细胞和卵原细胞的技术。
图2 （左图）人类PGCLCs会在BMP2存在的情况下增殖，并分化为前精原细胞或卵原细胞。
（右上图）通过荧光蛋白报告基因不断观察 PGC 标记基因 TFAP2C 以及前精原细胞和卵母细胞标记基因 DAZL 的表达时发现，每经过一个培养期，前精原细胞和卵母细胞（粉框）就会增加。
（右下图）培养的人类 PGCLCs 的典型形态。其中 EGFP 荧光表示 TFAP2C 的表达，tdTomato 荧光表示 DAZL 的表达。 （供图：京都大学 ASHBi ）
据悉，在 PGCs 的发育过程中，会发生被称为表观基因组重组，即全基因组范围的DNA去甲基化和组蛋白修饰的大规模重组，从而引发前精原细胞和卵原细胞的分化。
因此，研究人员调查了伴随表观基因组重编程而基因表达上升的基因群是如何引发这种上升的。研究人员通过使用表观基因组重组标志物（GTSF1、FRAME 和 MEG3）作为指标，研究了刺激信号分子和信号传递途径的化合物对人类 PGCLCs 的影响。
结果发现，骨形成因子（BMP）家族中的BMP2、BMP4和BMP7的会显著提高表观基因组重组标志物的表达，且它们被认为具有相似的功能。
因此，研究人员将人类PGCLCs细胞培养和增殖2个月后，使其分化为前精原细胞或卵原细胞，之后添加BMP，再使用小鼠饲养细胞培养4个月后发现，细胞增殖了约100亿倍，并大部分分化为前精原细胞或卵原细胞。且确认到染色体数量从培养初期到至少140天内一直保持稳定。
进一步对这一培养过程的基因表达进行全面分析后发现，其分化过程与人体内前精原细胞和卵原细胞的分化过程非常相似，最终分化为前精原细胞和卵原细胞样状态。
另外，通过全基因组DNA甲基化分析也证实，通过BMP信号介导的人类PGCLCs分化为前精原细胞和卵原细胞的过程伴随着全基因组DNA去甲基化，这一过程在试管内得到了精确再现。
由于该技术可以大量制备以前难以获得的人类前精原细胞和卵原细胞，因此有望用于需要大量细胞的实验。未来，研究团队将致力于缩短培养周期，并开发无需小鼠饲养细胞的培养方法。
斋藤教授表示：“今后，我们期待进一步推进针对人类生殖细胞系试管内重构的研究。现在已经可以大量制备前精原细胞和卵原细胞，因此全球范围内基于这些细胞的精子和卵子诱导研究将取得飞跃性进展。我相信，这些研究将为阐明人类生殖细胞的发育机制并将其应用于各种生殖医学开辟道路。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature
论文：In Vitro Reconstitution of Epigenetic Reprogramming in the Human Germ Line
DOI：10.1038/s41586-024-07526-6.
