正确区分生殖器官的体细胞对于性别确定、性激素的生成以及生殖细胞的产生至关重要。在培养环境中重建这一过程将有助于我们更深入地理解这一过程，并能够实现体外生成生殖细胞。
近日，日本大阪大学Takashi Yoshino与Katsuhiko Hayashi课题组领衔在Science发表题为Reconstitution of sex determination and the testicular niche using mouse pluripotent stem cells的研究论文。
该研究首次利用小鼠多能干细胞，构建出可重构性别决定过程的睾丸体细胞样细胞（Testicular somatic cell–like cells, TesLC），并将其组装成睾丸类器官。该类器官成功支持雄性生殖细胞分化，获得了可在体外无限增殖的生殖系干细胞样细胞（Germline stem cell–like cells, GSCLC）。
将GSCLC移植到不育小鼠体内后，可重建精子发生过程并产生具备受精能力的成熟精子，最终孕育出健康可育的后代。该研究建立了完全由多能干细胞衍生的睾丸发育模型，为生殖生物学研究和生殖医学应用奠定了重要基础。
哺乳动物的性别决定取决于生殖腺体细胞的分化过程，这一过程会形成一种具有性别特异性的环境，从而指导生殖细胞的发育并确保其生育能力。尽管基因性别在受精时就已经确定，但生殖细胞最初仍处于无性别的分化状态，只有在与生殖腺体细胞相互作用后才会获得雄性或雌性的身份。
在体外重建这一过程将为研究性别决定的机制提供一个强大的平台，并能够实现体外生殖细胞的生成。然而，尽管已经能够在多能干细胞中生成类似原始生殖细胞的细胞（PGCLCs），但重建具有功能性的生殖腺体细胞环境（特别是睾丸微环境）仍然是一个重大挑战。
利用携带性别特异性标记物的鼠胚胎干细胞（分别为Sox9-GFP（睾丸）和Foxl2-tdTomato（卵巢）），该研究建立了能够以Y染色体依赖的方式将细胞从具有双能性的生殖腺状态引导至睾丸间充质细胞样细胞（TesLCs）的培养条件。
通过调节骨形态发生蛋白（BMP）和WNT信号通路，能够从XY细胞中特异性诱导出SOX9阳性的支持细胞，并伴随着形成类似生精小管的结构，其中包含支持细胞和间质细胞样细胞。
睾丸组织类器官的生成
单细胞转录组分析显示，体外分化轨迹与体内性别决定过程极为相似，出现了特异性雄性群体，其中富含Sry、Sox9、Amh和Dmrt1等对支持细胞分化和/或功能至关重要的基因。
当与PGCLCs结合时，TesLCs形成了支持雄性生殖细胞分化的睾丸器官样结构。在这些器官样结构中，PGCLCs依次分化为促精母细胞和精母细胞，并进一步发展为启动减数分裂的精母细胞。从器官组织中分离出的干细胞样细胞（GSCLCs）被培养出来，并能够在体外无限增殖。
将其移植到不育的受体小鼠体内后，GSCLCs重新启动了精子生成过程，并产生了能够受精的成熟精子，从而产下了健康且具有生育能力的后代。该系统还揭示了性别决定的内在特征。与SOX9阳性细胞的分化严格依赖于Y染色体的存在不同，FOXL2阳性细胞可以从XY细胞中产生，并支持卵子生成，这突显了雄性和雌性性别决定途径之间的根本不对称性。
总之，本研究建立了一个完全具有多能性的干细胞衍生的睾丸发育模型，该模型重现了性别决定过程，并能够生成具有功能性的精原干细胞，且无需使用胚胎组织。该平台能够对性腺发育、性别决定以及生殖细胞与体细胞的相互作用进行机制分析，并为将生殖细胞重建扩展到其他哺乳动物物种奠定了基础，这对生殖生物学和医学具有广泛的意义。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea0296
