外國研究:精原幹細胞移植,可望恢復雄性動物產精能力

精原幹細胞移植(SSCT)是一種用於在供體和受體雄性之間轉移種系的實驗技術,可以用作生物醫學研究,瀕危物種保存和在食用動物種群中傳播理想遺傳學的工具。為了充分發揮這些潛力,受體雄性必須沒有內源種系,但具有正常的睾丸結構和體細胞功能,能夠支持同種異體供體幹細胞移植和精子發生再生。

 

 

美國華盛頓州立大學、猶他州立大學、馬里蘭大學和英國愛丁堡大學的研究人員開發出一種稱為代育父系(surrogate sire)的技術,具體而言就是先對雄性動物進行絕育,然後進行幹細胞移植,從而產生遺傳上符合要求的供者的精子。相關研究結果近期發表在PNAS期刊上。

 

 

Nanos2基因敲除小鼠中的同種SSCT。

SSCT在可用於家畜或瀕臨滅絕物種的環境中,即在免疫不相容的雄性之間,由於遺傳缺陷而使種系消融,並導致通過自然育種繁殖供體單倍體,尚未證明其應用。為了解決這個問題,我們首先設計了一種小鼠的概念驗證方案,該方案涉及通過使來自免疫學上不兼容的供體雄性的同種異體SSCT的進化保守生殖細胞特異性基因Nanos2失活,使接受雄性變為不育的小鼠。

 

Nanos2基因敲除受體小鼠的同種異體SSCT 。(圖源:PNAS)

 

Nanos2基因敲除小鼠同種異體SSCT後自然生育力的恢復

在以前的研究中,同種SSCT進入青春期前,但未成年Wv / Wv受體雄性,導致自然受精的有效實現。成年Wv / Wv受體的同種異體SSCT能夠產生供體來源的精子發生的持久集落,並且只要受體受到免疫抑制,就可以通過自然交配產生後代。達到生育能力的效率很低(約佔男性的24%),每個睾丸移植的供體細胞數量被證明是一個限制因素。

為了標準化供體細胞群體,使用了從與CD1受體小鼠同種異體抗原組織相容的Rosa26-LacZ小鼠建立的未分化精原細胞的原代培養物。 我們將3至8×104個供體細胞移植到六隻Nanos2 KO受體雄性睾丸中的一個或兩者中,移植時年齡在21至43 d之間。

 

NANOS2敲除公豬同種異體SSCT後供體衍生的精子發生

SSCT概念從小鼠到家畜的翻譯已被吹捧了近二十年,作為下一代育種工具,可從遺傳上理想的公豬中擴展精子的可獲得性。為了在牲畜生產中實施SSC移植,受體雄性必須完全缺乏內源種系才能優化SSC的植入,並確保所有精子的生產都來自供體。必須在受體睾丸中維持體細胞支持細胞功能,以提供促進正常精子發生再生的環境。

作為開發可能理想的家畜受體的第一步,我們先前利用基於CRISPR-Cas9的基因編輯技術對具有NANOS2失活突變的豬進行了工程改造。該基因發現純合的KO雄性睾丸具有完整的曲細精管和正常的激素生成,但生殖細胞完全消融,從而反映了Nanos2 KO小鼠的表型。

在大約4個月大時,從同種異體混合品種野生型供體公豬的整個睾丸組織中註射四個公豬的一個或兩個睾丸中的一個,將其分離。其中一隻公豬發展為骨病性變性並被殺死,另一隻公豬作為未移植對照。

 

NANOS2基因敲除公豬同種異體SSCT後供體衍生的精子發生。(圖源:PNAS)

 

使用先前描述的用於超聲引導注射到網狀睾丸的方法的變體將供體細胞轉移到NANOS2敲除受體睾丸中,超聲成像未觀察到成功輸精管。在青春期,所有NANOS2 KO公豬都會定期開始收集精液以評估射精中細胞的存在。與創始人相似,並且由於未觀察到供體細胞懸浮液注入到生精小管中而達到預期,在收集後約6個月的時間裡,從未在任何NANOS2 KO克隆的射精中觀察到精子,從而證實了生殖系的無精子表型。

消融和供體細胞移植失敗。然後,在14至15個月大時,再次將四隻NANOS2 KO公豬移植了同種異體野生型供體細胞。對於第二次移植,使用多參數方法富集供體睾丸細胞懸液中未分化的精原細胞,該方法基於標記物ZBTB16的免疫染色,由約70%的精原細胞組成。

 

結論

研究人員發現,在NANOS2缺失的雄性小鼠、豬、山羊和牛體內,它們的睾丸結構和解剖學特徵看起來均是正常的,然而它們的生殖細胞消失了。在這些缺乏NANOS2的雄性小鼠、豬和山羊的睾丸接受從健康、無血緣關係的供者那裡獲得的精原幹細胞移植幾個月後,它們的精子產生能力就恢復了。

在牛身上沒有進行精原幹細胞移植。 Oatley表示,供者細胞遭受的免疫排斥並不是問題。雖然他不確定為什麼會出現這種情況,但是他指出,這可能是由於哺乳動物睾丸的免疫特權地位。就小鼠而言,通過移植精原幹細胞補充的精子被證明是有功能的。

這些移植精原幹細胞的雄性小鼠早在移植兩個半月後就能與雌性小鼠交配並產生後代。未接受精原幹細胞移植的NANOS2缺失雄性小鼠從未產生後代。這些研究人員如今正致力於在牲畜中進行類似的交配實驗。雖然這種方法在應用於家畜之前還需要進一步完善和監管部門的批准,但是對它的進一步改進有可能應用於農場以外的領域。 Hansen指出,代育父系技術可能對保護瀕危物種有用。

使用實驗性易處理的小鼠模型,顯示了NANOS2KO受體在SSCT後可以達到自然受精,並且100%的後代具有供體單倍型。這些發現為在包括瀕危物種和牲畜在內的所有動物中發展替代公母概念的可行性提供了令人信服的支持。

 

參考資料:

Transplanted Stem Cells Produce Sperm in Sterilized Livestock

Donor-derived spermatogenesis following stem cell transplantation in sterile NANOS2 knockout males

Growth factors essential for self-renewal and expansion of mouse spermatogonial stem cells

俊逵

作者

俊逵

曾任職於醫院機構,主要探討癌症藥物治療相關。想用文字為大家帶來最新的生醫訊息

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