У видов, которые полагаются на половое размножение, включая мышей и мужчин, потомство может появиться только в том случае, если сперма от самца оплодотворяет яйцеклетки самки. Даже методы искусственного оплодотворения зависят от доноров для обеих этих клеток. Однако новое исследование, проведенное исследователями ASHBi, показывает, что плюрипотентные стволовые клетки мыши могут дифференцироваться в функциональные сперматозоиды. Эти сперматозоиды были успешно использованы для получения здорового, плодородного потомства и представляют собой наиболее полную модель для создания мужских половых клеток в пробирке.
Плюрипотентные стволовые клетки позволили ученым изучить, как формируется каждая клетка в организме. Клетки мозга, клетки сердца и клетки печени - это лишь некоторые примеры типов клеток, созданных из этих стволовых клеток и в настоящее время используемых пациентами в качестве экспериментальной клеточной терапии. Однако некоторые типы клеток по-прежнему трудно получить из плюрипотентных стволовых клеток , особенно из сперматозоидов .
Среди всех типов клеток , зародышевые клетки являются уникальными по многим причинам. Во-первых, в отличие от всех других клеток, которые несут 46 хромосом, зародышевые клетки имеют только 23 хромосомы, причем яйцеклетка имеет все хромосомы от матери, а сперматозоиды - от отца.
Кроме того, это единственные клетки, которые родители действительно передают своему потомству, что делает их, по словам директора ASHBi Митинори Сайту, одного из авторов исследования, « движущей силой, которая поддерживает и развивает вид».
Хотя необходимы дополнительные исследования, ученые добились значительных успехов в производстве сперматозоидов из плюрипотентных стволовых клеток, по крайней мере, для мышей. Процесс обычно разбивается на три этапа, имитирующих естественное развитие. Сначала стволовые клетки дифференцируются в первичные половые клетки , затем в стволовые клетки сперматогонии, когда определяется мужской пол, и, наконец, в сперматозоиды.
Стволовые клетки сперматогонии - это то, что позволяет мужчине производить сперму на протяжении всей жизни, но этот второй этап оказался наиболее сложным для воссоздания в лаборатории.
Сложно, но возможно. Стволовые клетки сперматогонии мышей могут быть получены, но неэффективно, поэтому доктор Юкико Исикура, другой участник исследования, пришел к выводу, что необходима оптимизация процесса дифференцировки.
Вверху: схема развития мужских половых клеток у мышей. Внизу: схема восстановления развития мужских половых клеток in vitro с помощью плюрипотентных стволовых клеток. E - эмбриональный день; П, послеродовой день. Предоставлено: Юкико Исикура, научный сотрудник Киотского университета ASHBi.
«Скорость дифференцировки примерно на одну неделю ниже, чем в организме мыши, и вклад стволовых клеток сперматогонии в сперматогенез невелик», - сказала она.
Начав с плюрипотентных стволовых клеток мышей, она и ее коллеги подготовили первичные половые клетки и исследовали более 10000 из них в 8 различных условиях, используя то, что они называют «методом нового восстановленного семенника».
Чтобы проверить наилучшие условия для производства стволовых клеток сперматогонии, они подтвердили, что эти клетки имеют несколько общих свойств с таковыми в семенниках мышей, включая экспрессию ключевых генов, эпигенетику и временную активацию ретротранспозонов, что было особенно неожиданно для Сайто.
«Контроль ретротранспозонов был восстановлен. Регуляция ретротранспозонов - это механизм, позволяющий контролировать влияние ретротранспозонов на ключевые гены путем случайного повторения их регуляции», - сказал он.
Идентичная эпигенетика также имела решающее значение. Хотя гены состоят из ДНК, их экспрессия зависит от эпигенетических факторов, таких как метилирование ДНК. Зародышевые клетки демонстрируют различные паттерны метилирования ДНК во время своего развития, паттерны, которые считаются решающими для их способности производить потомство.
Чтобы подтвердить, что стволовые клетки сперматогоний ведут себя так же, как и те, что вырабатываются в организме, исследователи вводили созданные в лаборатории стволовые клетки сперматогоний в семенники мышей, где клеткам позволяли развиваться в сперматиды. Эти сперматиды собирали и вводили в яйца для выращивания эмбрионов. Затем эмбрионы использовались для оплодотворения мышей, от которых родилось здоровое потомство, которое также было фертильным.
Полученные данные обеспечивают наиболее полное восстановление развития мужских половых клеток, начиная с плюрипотентных стволовых клеток.
«Это первое исследование по восстановлению функциональной спермы из плюрипотентных стволовых клеток мыши в пробирке. Это открывает новые возможности для дифференцировки мужских половых клеток», - сказал Сайтоу.
