精子和卵子的插图。（图片来源：Liya Graphics/Shutterstock）一个科学家团队已经从胚胎干细胞培养物中培育出有功能的鼠精子细胞。原则上，胚胎干细胞可以变成人体中的任何类型的细胞，但说服它们分化成科学家希望它们变成的细胞可能是一个挑战。多年来，研究人员一直试图在培养皿中将干细胞培养成有功能的精子，但收效甚微。现在，来自中国的研究人员表示，他们不仅成功地从胚胎干细胞培养物中培育出有功能的精子样细胞，而且这些细胞还使卵子受精并产生了健康、有生育能力的后代。他们表示，这可能是不育症男性更好治疗的第一步，也是研究不育症原因，甚至睾丸癌和一些基因突变起源的更好方法。
精子的来源
在子宫中，受精卵形成一个外层，称为外胚层，它由胚胎干细胞组成——具有成为体内任何类型细胞潜力的细胞空白板，这取决于它们如何表达基因组的不同部分。细胞因子等化学物质以及物理环境决定了这些细胞将变成什么。到发育的第二周，其中一些细胞变成原始生殖细胞——最终将成为卵子或精子的细胞。如果胚胎是雄性，每个原始生殖细胞分裂产生两个细胞，称为精原细胞。然后它们等待。多年后，当青春期开始时，荷尔蒙唤醒精原细胞，每个精原细胞分裂形成两个细胞，称为精子。到目前为止，所有细胞，从干细胞到精子，都通过有丝分裂进行分裂，这是一种细胞分裂，产生两个新细胞，都与原始细胞相同，带有23对染色体。
这张图表显示了周及其团队如何从能够产生有活力和有生育能力的后代的鼠胚胎干细胞中产生单倍体雄性配子，即精子样细胞。（图片来源：Zhou, Wang, and Yuan et et al./Cell Stem Cell 2016）精子做了一些不同的事情。它们通过减数分裂进行分裂，减数分裂有两个阶段，最终产生四个细胞，称为精子细胞，每个细胞都具有原始细胞遗传物质的不同组合。每个细胞只有23条染色体，而不是23对。一个精子细胞只有创造新生物体所需遗传信息的一半；当它与卵子结合时，它会产生一个带有23对染色体的受精卵——一对来自父亲，一对来自母亲。
后代是最好的证明
之前有几个研究团队成功地诱导胚胎干细胞培养物通过类似的过程，但周泉的团队是第一个在培养皿中产生精子样细胞，这些细胞能够真正使卵子受精，从而创造出健康的实验鼠，这些实验鼠也成长并产生了下一代。他们将结果发表在《细胞干细胞》杂志上。之前的一项研究确实产生了活体后代，但它们存在发育异常，无法自行繁殖。共同作者赵晓阳表示，不同之处在于，在那些早期研究中，无法确定细胞在减数分裂过程中是否正确地分离了它们的遗传物质。这项研究是第一个研究人员能够证明细胞经历了减数分裂的每个关键阶段，并且每个细胞在过程中都具有正确数量的染色体在正确位置的研究。赵说：“我们认为正确的体外减数分裂过程使我们的研究中的后代健康且具有生育能力。”
创建“类精子细胞”
为了实现这一目标，他们首先使用小鼠胚胎干细胞，然后将它们暴露在一种称为细胞因子的化学混合物中，这种混合物通常会促使一些外胚层细胞分化为原始生殖细胞。作为回应，细胞培养物分裂并分化成与原始生殖细胞非常相似的物质。他们将细胞培养物与从小鼠睾丸细胞中提取的培养物结合起来，这些小鼠睾丸细胞经过基因工程改造，不会产生精母细胞。结果，一旦研究人员引入了新的细胞因子和睾酮等激素混合物，细胞就拥有了与小鼠睾丸非常相似的环境。在这种环境中，它们经历了减数分裂并产生了。研究人员将最终结果称为类精子细胞，而不仅仅是精子。实验室培养的细胞含有与正常精子相同的遗传物质，并且它们的行为方式相同，但它们看起来有点不同——它们没有尾巴。因此，类精子细胞需要被注射到卵子中才能使其受精。赵说：“类精子细胞与体内精子仍然存在明显差异，因为类精子细胞不像体内精子那样具有运动性，而且它们的形状也不同。”
更多研究有待进行
研究人员希望解决男性不育的主要原因，但这还需要一段时间才能进行人体试验。在小鼠中产生原始生殖细胞所需的基因表达与人类版本略有不同。研究人员在向前推进之前还有更多问题需要回答。人类胚胎干细胞的研究也涉及一些棘手的伦理问题。周及其同事预计他们的方法也适用于成人干细胞，但他们仍需要在实验室中证明这一点。该团队尚未确定人体试验的时间表，但他们正在推进他们的工作。赵说：“我们正在尝试转向灵长类动物研究，并希望获得类似的结果。”
