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为什么说精原干细胞是男性生殖的“金种子”?

2021-11-09 13:58:45来源: 中国科普网

在人体的众多细胞中,有一种细胞展示着生命体独特的魅力。它们精巧微妙,仅仅数十微米的大小储存着孕育后代的所有遗传信息;它们生生不息,仅占整个细胞池0.03%的干细胞群体便足以分化成整个谱系。它们,就是精原干细胞。

什么是精原干细胞?

精原干细胞是精子发生的起始细胞。它们位于雄性睾丸中曲细精管的基膜内侧,由原始生殖细胞分化而来。荷兰科学家de Rooij DG提出,精原干细胞在功能定义上有着双重潜力:首先,它们可以维持自我更新以补充干细胞池;其次,它们能够通过增殖和分化产生整个生精谱系,源源不断地为雄性提供成熟的精子。

精原干细胞为何被称为“金种子”?

小小的精原干细胞,为何被称之为男性生殖的“金种子”呢?这还要从精子的发生过程说起。早在上个世纪60年代,罗森-朗格(Rosen-Runge)、克莱蒙(Clermont)和哈金斯(Huckins)等科学家就发现了一些雄性哺乳动物精子发生的规律。纵观整个生精谱系,精子的发生从单个A型精原细胞(A s)开始。首先,A型精原细胞由一个分裂成一对(A pr),再分裂成通过细胞间桥相连接的细胞链(A al)。在啮齿类动物中,这些较大的链状克隆又分化成A1型精原细胞,继而通过连续有丝分裂产生 A2、A3、A4、中间型和 B 型精原细胞,随后,初级精母细胞进入减数分裂,产生次级精母细胞和圆形精子细胞。最后,精子细胞经过形态的变化,成熟的精子就产生了。在一次次生精波中,这些不同分化阶段的细胞充满了生精小管的各个节段。而精原干细胞,就存在于整个生精谱系的最顶端——单个A型精原细胞之中。因此,精原干细胞的数量和质量,直接关系到整个生殖细胞谱系的健康和稳定。

“金种子”的命运,谁来决定?

那么,作为整个生精过程的“领导者”,精原干细胞是如何统领全局的呢?由精原干细胞的定义我们可以知道,它既可以通过自我更新产生和自己一模一样的细胞,补充到干细胞池从而维持自身数量的稳定,也可以启动分裂,进行精子发生。因此,精原干细胞对于自我更新与分化的选择便尤为重要。

图一 精原干细胞的命运

依据干细胞在自我更新过程中的表现,可以将其状态分为四种:绝大多数干细胞在体内处于静息状态,少量细胞进入细胞增殖周期,通过非对称性分裂的方式产生一个干细胞和一个祖细胞,从而保持体内干细胞池的稳定。然而,在某些特殊情况下,干细胞也通过对称分裂实现数量的扩增。当机体受损伤或刺激时,干细胞也可能产生两个祖细胞进入分化,来满足局部组织增生修复的需要,从而导致干细胞总量的减少。那么,决定干细胞命运的调节因素是什么呢?研究表明干细胞的自我更新或分化,主要取决于它所接收到的“信号”。这些“信号”既有来源于细胞自身的,也有来源于它所在的“微环境”中的。

对于自身表达的细胞因子,主要由基因的甲基化修饰、组蛋白的甲基化和乙酰化修饰和微小RNA参与调节。这些信号分子之间有着复杂的调控网络,共同精准地调控着干细胞的自我更新与分化。除了细胞自身的调节系统之外,“微环境”中的影响因素也非常重要。精原干细胞在体内处在一个由支持细胞、间质细胞和管周肌细胞构成的“微环境”中,这些细胞可以分泌各种生长因子来调节精原干细胞的生物学行为,例如神经胶质源性神经营养因子(GDNF)可以有效促进细胞自我更新,集落刺激因子1 (CSF1)可以促进细胞增殖,成纤维细胞生长因子 (FGF) 家族也在精原干细胞的增殖与分化中起着重要的作用。

图二 精原干细胞命运的决定因子 

精原干细胞培养在人类辅助生殖技术中的应用

近年来,随着体外受精-胚胎移植技术的发展,许多男性不育症患者也可以生育自己的后代。对于成年男性而言,冷冻储存的精子成为了保存化疗患者生育力的主要方法。

但是,对于一些儿童恶性肿瘤和需要干细胞移植治疗的疾病患者,在无法保存自身产生的精子的情况下,精原干细胞的体外长期培养和移植便成为了他们保留生育力的唯一途径。

图三 精原干细胞在人类辅助生殖技术中的应用

因此,关于如何建立更有利于精原干细胞维持的条件,我们从未停止探索。相信在不久的将来,人类就可以通过掌握干细胞的命运,让无数健康的生命一代一代地延续下去。

(作者为南京医科大学 实验师)

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