魚類生殖干細胞體外誘導精子發生研究取得進展

近日，上海海洋大學水產與生命學院李名友和桂朗團隊開創性地應用魚類生殖干細胞培養技術，首次建立了馬口魚的精原干細胞系和長江刀鱭的性腺體細胞系，通過體外長期培養后成功產生精子，突破了目前世界范圍內經濟魚類生殖干細胞無法長期培養的問題，為魚類瀕危物種保護、重要經濟魚類種質創制、生殖干細胞基因編輯等提供了一條新途徑。

精原干細胞經過有絲分裂和減數分裂產生精子，將遺傳信息傳遞給下一代，從而能保證物種的延續。大量的研究表明，體外重塑精子發生微環境可誘導精原干細胞系分化產生精子。在魚類研究中，體外獲得精原干細胞系并能夠進行長期培養是關鍵性的技術難題。全球的研究機構都在探索可以獲得長期穩定培養的精原干細胞系，但通常只能獲得最長1個月的魚類精原干細胞系。

在本研究中，馬口魚精原干細胞系經過2年多的培養，仍具有二倍體核型，生長穩定，具有典型的精原干細胞基因表達模式。在體外培養條件下，馬口魚精原干細胞系可以誘導分化為精子和其他不同類型的體細胞。在體外培養條件下，馬口魚精原干細胞系在懸浮培養中形成擬胚體。用視黃酸連續處理1周后，分化成神經元、星形膠質細胞和上皮細胞等多種體細胞，這表明馬口魚精原干細胞系在體外具有多能性。為了模擬體外減數分裂過程，團隊將馬口魚精原干細胞系與馬口魚精巢細胞共培養。分別收集精巢細胞和表達紅色熒光(RFP)的馬口魚精原干細胞，通過流式細胞進行染色體檢查，發現細胞可以進入并完成減數分裂以產生單倍體產物。在共培養的第14天，觀察到表達RFP的精子細胞，表明馬口魚精原干細胞逐漸誘導為未成熟精子細胞。共培養16 d后，觀察到表達RFP的馬口魚精原干細胞分化為更成熟的精子，尾部有輕微擺動行為。本研究驗證了在合適的誘導條件下，馬口魚精原干細胞可以誘導產生精子細胞。

研究表明，馬口魚精原干細胞在體內也具有多能性，將表達RFP的馬口魚精原干細胞移植到斑馬魚胚胎中發現，供體與斑馬魚胚胎發育形成了嵌合體并表現出正常的增殖和分化能力，能發育成來源于3個不同胚層的細胞。

與此同時，研究表明，體細胞在精子發生過程中扮演著重要角色，可通過運用體細胞與精原干細胞共培養條件模擬體內微環境，誘導精原干細胞體外分化，經歷減數分裂產生精子細胞。在長江刀鱭體細胞系的研究中，將刀鱭性腺體細胞與表達RFP的青鳉精原干細胞系共同培養2 d后，可以觀察到緊密排列的多細胞集落，具有明顯的胚狀體邊界。青鳉精原干細胞的形態發生了變化，觀察到圓形精子細胞轉化為伸長的精子細胞，并帶有新形成的鞭毛。因此，刀鱭性腺體細胞具有誘導青鳉精原干細胞分化為精子的能力。

此次研究突破了養殖魚類精原干細胞無法長期培養的問題，通過體內外的多角度誘導和移植研究，使精原干細胞在體外形成了精子。這為對精原干細胞的進一步研究和認識提供了基礎，也為保護魚類瀕危物種、優化具有重要經濟價值魚類育種的方式提供了新的思路。今后，李名友、桂朗團隊還將結合干細胞培養和誘導技術、基因編輯技術和細胞移植技術等多種研究手段，建立繁殖困難、繁殖周期長、珍稀或瀕危魚類生殖干細胞體系，開展生殖干細胞基因編輯介導的養殖魚類優良種質創制新技術。

此次兩項研究成果以“Generation of a normal long-term-cultured Chinese hook snout carp spermatogonial stem cell line capable of sperm production in vitro”和“Establishment of aCoilianasusgonadal somatic cell line capable of sperm induction in vitro”為題發表于Biology上。