京都大學高等研究院人類生物學高等研究所（WPI-ASHBi）的齊藤通紀所長（兼任醫學研究科教授）與村瀨祐介特定研究員、京都大學研究生院研究科的橫川隆太（博士生）等人組成的研究團隊發表研究成果稱，確立了一項透過原始生殖細胞（PGCs）從人iPS細胞中大量分化誘導出精子和卵子的前身——前精莢和卵原細胞的技術。同時，研究團隊還成功解明瞭前精莢和卵原細胞分化相關的表觀基因體重組的分子機制。該研究成果有望爲揭開不孕症等疾病的發病機製做出巨大貢獻。相關研究成果於5月20日發表在國際學術期刊《Nature》上。
圖1 左起：橫川隆太博士生、齋藤通紀ASHBi所長/主任研究員、村瀨佑介 特定研究員（供圖：京都大學ASHBi）
在人類胚胎中，PGCs在受精後2周形成，之後行程到將來形成睪丸或卵巢的位置，在第6～10周分別進入到已成形的睪丸或卵巢中，並分化爲前精莢或卵原細胞。
然而，由於難以獲得人類胚胎以及倫理道德問題，對人類生殖細胞分化程序詳細研究此前一直難以取得進展。儘管近年來已逐步解明瞭前精莢和卵原細胞的基因表現，但對其前期階段——PGCs形成後的分化程序卻知之甚少。
此前研究團隊已從人iPS細胞中誘導出PGCs樣細胞（PGCLCs），並進一步利用異種重組卵巢法將其分化爲卵原細胞。然而，該方法在卵原細胞的製備效率以及依賴於小鼠胎兒卵巢體細胞的分化方面存在諸多難題。
此次研究團隊利用其開發的PGCLCs維持培養法克服了上述難題，並確立了高效分化前精莢和卵原細胞的技術。
圖2 （左圖）人類PGCLCs會在BMP2存在的情況下增殖，並分化爲前精莢或卵原細胞。
（右上圖）透過螢光蛋白報告基因不斷觀察 PGC 標記基因 TFAP2C 以及前精莢和卵母細胞標記基因 DAZL 的表達時發現，每經過一個培養期，前精莢和卵母細胞（粉框）就會增加。
（右下圖）培養的人類 PGCLCs 的典型形態。其中 EGFP 螢光表示 TFAP2C 的表達，tdTomato 螢光表示 DAZL 的表達。 （供圖：京都大學 ASHBi ）
據悉，在 PGCs 的發育程序中，會發生被稱爲表觀基因體重組，即全基因體範圍的DNA去甲基化和組蛋白修飾的大規模重組，從而引發前精莢和卵原細胞的分化。
因此，研究人員調查了伴隨表觀基因體重程式設計而基因表現擧升的基因羣是如何引發這種擧升的。研究人員透過使用表觀基因體重組標誌物（GTSF1、FRAME 和 MEG3）作爲指標，研究了刺激訊號分子和訊號傳遞途徑的化合物對人類 PGCLCs 的影響。
結果發現，骨形成因子（BMP）家族中的BMP2、BMP4和BMP7的會顯著提高表觀基因體重組標誌物的表達，且它們被認爲具有相似的功能。
因此，研究人員將人類PGCLCs細胞培養和增殖2個月後，使其分化爲前精莢或卵原細胞，之後添加BMP，再使用小鼠飼養細胞培養4個月後發現，細胞增殖了約100億倍，並大部分分化爲前精莢或卵原細胞。且應答到染色體數量從培養初期到至少140天内一直保持穩定。
進一步對這一培養程序的基因表現進行全面分析後發現，其分化程序與人活體內前精莢和卵原細胞的分化程序非常相似，最終分化爲前精莢和卵原細胞樣狀態。
另外，透過全基因體DNA甲基化分析也證實，透過BMP訊號介導的人類PGCLCs分化爲前精莢和卵原細胞的程序伴隨着全基因體DNA去甲基化，這一程序在試管内得到了精確再現。
由於該技術可以大量製備以前難以獲得的人類前精莢和卵原細胞，因此有望用於需要大量細胞的實驗。未來，研究團隊將致力於縮短培養週期，並開發無需小鼠飼養細胞的培養方法。
齋藤教授表示：「今後，我們期待進一步推進針對人類生殖細胞系試管内重新框架的研究。現在已經可以大量製備前精莢和卵原細胞，因此全球範圍内基於這些細胞的精子和卵子誘導研究將取得飛躍性進展。我相信，這些研究將爲闡明人類生殖細胞的發育機制並將其應用於各種生殖醫學開闢道路。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature
論文：In Vitro Reconstitution of Epigenetic Reprogramming in the Human Germ Line
DOI：10.1038/s41586-024-07526-6.
