Även om assisterad reproduktionsteknologi (ART), såsom provrörsbefruktning (IVF), har haft en enorm inverkan på behandlingen av vissa former av infertilitet, kan inte alla former av infertilitet riktas mot befintliga strategier.
Nyligen har en kraftfull teknologi dykt upp – känd som mänsklig in vitro gametogenes (IVG) – som använder pluripotenta stamceller (PSC), såsom inducerade pluripotenta stamceller (iPSC) från patienter, för att generera mänskliga könsceller med kapacitet att potentiellt ge upphov till att mogna könsceller i kulturen, och erbjuda en inkörsport till behandling av alla former av infertilitet – oberoende av kön.
Ändå är human IVG-forskning fortfarande i sin linda, med det nuvarande målet att återskapa hela processen för mänsklig gametogenes. Hittills har en stor utmaning varit att rekapitulera i grundarpopulationen av könsceller, eller de mänskliga primordiala könscellerna (hPGCs), en kännetecknande händelse känd som epigenetisk omprogrammering – där det ärvda föräldra-"minnet" av celler, som finns på dess DNA, återställs/raderas – vilket krävs för korrekt könscellsdifferentiering.
Nu, i en studie publicerad i Nature , har forskare vid Institutet för avancerad studie av mänsklig biologi (WPI-ASHBi) vid Kyoto University, ledd av Dr. Mitinori Saitou, identifierat robusta odlingsförhållanden som är nödvändiga för att driva epigenetisk omprogrammering och könscellsdifferentiering till prekursorer till mogna könsceller, mitotiska pro-spermatogonia och pro-oogonia med kapacitet för omfattande amplifiering, vilket uppnår en ny milstolpe för human IVG-forskning.
Tidigare arbete av Saitous team och andra grupper var framgångsrika i att generera så kallade mänskliga primordiala könscellsliknande celler (hPGCLC) från PSCs in vitro, som återskapade flera grundläggande egenskaper hos hPGC, inklusive förmågan att föröka sig. Dessa hPGCLC kunde dock inte genomgå epigenetisk omprogrammering och differentiering.
Även om sådana begränsningar kunde kringgås genom att aggregera hPGCLC med mus embryonala (icke-germinala) gonadala celler för att efterlikna mikromiljön i testiklarna/äggstockarna, är denna process mycket ineffektiv (med ungefärligen endast 1/10 av cellerna som differentierar). Dessutom är införandet av icke-humana celler varken idealiskt eller praktiskt ur ett kliniskt tillämpningsperspektiv. Därför, för att uppnå det slutliga målet för human IVG-forskning, är det viktigt att identifiera de minimala odlingsförhållanden som krävs för att generera mogna mänskliga könsceller.
I sin nya studie genomförde Saitou och kollegor en cellkulturbaserad screening för att identifiera potentiella signalmolekyler som krävs för att driva epigenetisk omprogrammering och differentiering av hPGCLC till mitotisk pro-spermatogonia och oogonia. Överraskande nog fann författarna att den väletablerade utvecklingssignalmolekylen, benmorfogenetiskt protein (BMP), spelade en avgörande roll i denna omprogrammerings- och differentieringsprocess av hPGCLC.
"Faktiskt, med tanke på att BMP-signalering redan har en etablerad roll i könscellsspecifikation, var det mycket oväntat att det också driver hPGCLC epigenetisk omprogrammering", säger Saitou.
Dessa hPGCLC-härledda mitotiska pro-spermatogonia/oogonia uppvisade inte bara likheter i genuttryck och epigenetiska profiler med den faktiska hPGC-differentiering i våra kroppar, utan genomgick också omfattande amplifiering (över 10 miljarder gånger).
"Vårt tillvägagångssätt möjliggör nästan obestämd amplifiering av mitotisk pro-spermatogoni och oogonia i kultur och vi har nu också möjligheten att lagra och återexpandera dessa celler efter behov", säger Saitou.
Författarna avslöjar också de potentiella mekanismerna för hur BMP-signalering kan leda till epigenetisk omprogrammering och hPGCLC-differentiering.
"BMP (signalering) verkar dämpa MAPK/ERK (mitogenaktiverat proteinkinas/extracellulärt reglerat kinas) signalvägen och både de novo- och underhållsaktiviteterna för DNMT (DNA-metyltransferas), men ytterligare undersökning kommer att bli nödvändig för att fastställa den exakta mekanismen och om detta är direkt eller indirekt", förklarar Saitou.
"Vår studie representerar inte bara ett grundläggande framsteg i vår förståelse av mänsklig biologi och principerna bakom epigenetisk omprogrammering hos människor utan också en verklig milstolpe i mänsklig IVG-forskning", säger Saitou.
Saitou säger, "Även om många utmaningar kvarstår och vägen säkerligen kommer att bli lång, särskilt när man överväger de etiska, juridiska och sociala implikationerna förknippade med den kliniska tillämpningen av mänsklig IVG, har vi ändå nu tagit ett betydande steg framåt mot den potentiella översättningen. av IVG till reproduktionsmedicin."
Mer information: Yusuke Murase et al, In vitro-rekonstitution av epigenetisk omprogrammering i den mänskliga könslinjen, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07526-6
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Kyoto University
