Плюрипотентные стволовые клетки позволили ученым изучить, как формируется каждая клетка в организме. Клетки головного мозга, клетки сердца и клетки печени – это лишь некоторые примеры типов клеток, созданных из этих стволовых клеток и используемых в настоящее время у пациентов в качестве экспериментальных клеточных терапий. Однако некоторые типы клеток по-прежнему трудно получить из плюрипотентных стволовых клеток, особенно из сперматозоидов.
Среди всех типов клеток половые клетки уникальны по многим причинам.
Во-первых, в отличие от всех других клеток, которые несут 46 хромосом, половые клетки имеют только 23 хромосомы, причем яйцеклетка имеет все хромосомы от матери, а сперматозоиды – все хромосомы от отца.
Кроме того, это единственные клетки, которые родители фактически 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 можно производить, но неэффективно, поэтому Dr.
Юкико Исикура, еще один участник исследования, пришел к выводу, что необходима оптимизация процесса дифференциации.
«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 мыши, она и ее коллеги подготовили первичные половые клетки и исследовали более 10000 из них в 8 различных условиях, используя то, что они называют «новым методом реконструированных семенников»."
Чтобы проверить наилучшие условия для производства стволовых клеток сперматогонии, они подтвердили, что клетки имеют несколько общих свойств с таковыми в семенниках мышей, включая экспрессию ключевых генов, эпигенетику и временную активацию ретротранспозонов, что для Сайто было особенно неожиданным.
"Контроль ретротранспозона был восстановлен. Регуляция ретротранспозоном – это механизм контроля воздействия 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 сперматогонии ведут себя так же, как и те, которые вырабатываются в организме, исследователи ввели инъекции, произведенные в лаборатории?стволовые клетки сперматогонии в семенники мыши, 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 Сайто.