Science重磅研究：“人工睪丸”誕生！

正確區(qū)分生殖器官的體細(xì)胞對(duì)于性別確定、性激素的生成以及生殖細(xì)胞的產(chǎn)生至關(guān)重要。在培養(yǎng)環(huán)境中重建這一過程將有助于我們更深入地理解這一過程，并能夠?qū)崿F(xiàn)體外生成生殖細(xì)胞。

2026年2月26日，日本大阪大學(xué)Katsuhiko Hayashi團(tuán)隊(duì)在Science在線發(fā)表題為“Reconstitution of sex determination and the testicular niche using mouse pluripotent stem cells”的研究論文，該研究報(bào)告了利用小鼠多能干細(xì)胞對(duì)睪丸體細(xì)胞進(jìn)行的重建工作。該重建過程重現(xiàn)了性別確定的過程，產(chǎn)生了能夠形成生精小管和相鄰間質(zhì)組織的細(xì)胞類型。

重建的睪丸組織包含了由多能干細(xì)胞衍生的原始生殖細(xì)胞，并支持這些細(xì)胞分化為精原干細(xì)胞。這些精原干細(xì)胞在移植到睪丸后分化為功能性的精子。這項(xiàng)研究有助于更深入地理解性別確定過程，并為培養(yǎng)環(huán)境中男性生殖細(xì)胞的來源提供了另一種選擇。

哺乳動(dòng)物的性別決定取決于生殖腺體細(xì)胞的分化過程，這一過程會(huì)形成一種具有性別特異性的環(huán)境，從而指導(dǎo)生殖細(xì)胞的發(fā)育并確保其生育能力。盡管基因性別在受精時(shí)就已經(jīng)確定，但生殖細(xì)胞最初仍處于無性別的分化狀態(tài)，只有在與生殖腺體細(xì)胞相互作用后才會(huì)獲得雄性或雌性的身份。在體外重建這一過程將為研究性別決定的機(jī)制提供一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，并能夠?qū)崿F(xiàn)體外生殖細(xì)胞的生成。然而，盡管已經(jīng)能夠在多能干細(xì)胞中生成類似原始生殖細(xì)胞的細(xì)胞（PGCLCs），但重建具有功能性的生殖腺體細(xì)胞環(huán)境（特別是睪丸微環(huán)境）仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

利用攜帶性別特異性標(biāo)記物的鼠胚胎干細(xì)胞（分別為 Sox9-GFP（睪丸）和 Foxl2-tdTomato（卵巢）），該研究建立了能夠以 Y 染色體依賴的方式將細(xì)胞從具有雙能性的生殖腺狀態(tài)引導(dǎo)至睪丸間充質(zhì)細(xì)胞樣細(xì)胞（TesLCs）的培養(yǎng)條件。通過調(diào)節(jié)骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）和 WNT 信號(hào)通路，能夠從 XY 細(xì)胞中特異性誘導(dǎo)出 SOX9 陽性的支持細(xì)胞，并伴隨著形成類似生精小管的結(jié)構(gòu)，其中包含支持細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞樣細(xì)胞。

睪丸組織類器官的生成（圖源自Science）

單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析顯示，體外分化軌跡與體內(nèi)性別決定過程極為相似，出現(xiàn)了特異性雄性群體，其中富含 Sry、Sox9、Amh 和 Dmrt1 等對(duì)支持細(xì)胞分化和/或功能至關(guān)重要的基因。當(dāng)與 PGCLCs 結(jié)合時(shí)，TesLCs 形成了支持雄性生殖細(xì)胞分化的睪丸器官樣結(jié)構(gòu)。在這些器官樣結(jié)構(gòu)中，PGCLCs 依次分化為促精母細(xì)胞和精母細(xì)胞，并進(jìn)一步發(fā)展為啟動(dòng)減數(shù)分裂的精母細(xì)胞。從器官組織中分離出的干細(xì)胞樣細(xì)胞（GSCLCs）被培養(yǎng)出來，并能夠在體外無限增殖。

將其移植到不育的受體小鼠體內(nèi)后，GSCLCs 重新啟動(dòng)了精子生成過程，并產(chǎn)生了能夠受精的成熟精子，從而產(chǎn)下了健康且具有生育能力的后代。該系統(tǒng)還揭示了性別決定的內(nèi)在特征。與 SOX9 陽性細(xì)胞的分化嚴(yán)格依賴于 Y 染色體的存在不同，F(xiàn)OXL2 陽性細(xì)胞可以從 XY 細(xì)胞中產(chǎn)生，并支持卵子生成，這突顯了雄性和雌性性別決定途徑之間的根本不對(duì)稱性。

總之，本研究建立了一個(gè)完全具有多能性的干細(xì)胞衍生的睪丸發(fā)育模型，該模型重現(xiàn)了性別決定過程，并能夠生成具有功能性的精原干細(xì)胞，且無需使用胚胎組織。該平臺(tái)能夠?qū)π韵侔l(fā)育、性別決定以及生殖細(xì)胞與體細(xì)胞的相互作用進(jìn)行機(jī)制分析，并為將生殖細(xì)胞重建擴(kuò)展到其他哺乳動(dòng)物物種奠定了基礎(chǔ)，這對(duì)生殖生物學(xué)和醫(yī)學(xué)具有廣泛的意義。

參考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea0296