Et vigtigt skridt for en kønscelle, et kæmpe spring for fremtiden for reproduktiv medicin

Selvom assisterede reproduktionsteknologier (ART'er), såsom in vitro fertilisering (IVF), har haft en enorm indflydelse på behandlingen af ​​visse former for infertilitet - kan ikke alle former for infertilitet målrettes med eksisterende strategier.

For nylig er der opstået en kraftfuld teknologi - kendt som human in vitro gametogenese (IVG) - ved hjælp af pluripotente stamceller (PSC'er), såsom inducerede pluripotente stamceller (iPSC'er) fra patienter, til at generere menneskelige kønsceller med kapacitet til potentielt at give anledning til at modne kønsceller i kultur, der tilbyder en indgang til behandling af alle former for infertilitet – uafhængigt af køn.

Ikke desto mindre er menneskelig IVG-forskning stadig i sin vorden, med det nuværende mål at rekonstruere hele processen med menneskelig gametogenese. Hidtil har en stor udfordring været at rekapitulere i grundlæggerpopulationen af ​​kønsceller eller de menneskelige primordiale kønsceller (hPGC'er), en kendetegnende begivenhed kendt som epigenetisk omprogrammering - hvor den nedarvede forældrelige "hukommelse" af celler er til stede på dens DNA, nulstilles/slettes – det er nødvendigt for korrekt kønscelledifferentiering.

Nu i en undersøgelse offentliggjort i Nature , forskere ved Institute for the Advanced Study of Human Biology (WPI-ASHBi) i Kyoto University, ledet af Dr. Mitinori Saitou, har identificeret robuste dyrkningsbetingelser, der er nødvendige for at drive epigenetisk omprogrammering og kønscelledifferentiering til forstadier til modne gameter, mitotiske pro-spermatogonia og pro-oogonia med kapacitet til omfattende amplifikation, der opnår en ny milepæl for human IVG-forskning.

Tidligere arbejde fra Saitous team og andre grupper havde succes med at generere såkaldte humane primordiale kimcelle-lignende celler (hPGCLC'er) fra PSC'er in vitro, som rekapitulerede flere grundlæggende træk ved hPGC, herunder evnen til at formere sig. Disse hPGCLC'er var imidlertid ude af stand til at gennemgå epigenetisk omprogrammering og differentiering.

Selvom sådanne begrænsninger kunne omgås ved at aggregere hPGCLC'er med museembryonale (ikke-kim) gonadale celler for at efterligne mikromiljøet i testiklen/æggestokken, er denne proces meget ineffektiv (med ca. kun 1/10 af cellerne, der differentierer). Desuden er introduktionen af ​​ikke-humane celler hverken ideel eller praktisk set ud fra et klinisk anvendelsesperspektiv. For at nå det ultimative mål for human IVG-forskning er det derfor vigtigt at identificere de minimale kulturbetingelser, der er nødvendige for at generere modne menneskelige kønsceller.

I deres nye undersøgelse gennemførte Saitou og kolleger en cellekultur-baseret screening for at identificere potentielle signalmolekyler, der er nødvendige for at drive epigenetisk omprogrammering og differentiering af hPGCLC'er til mitotisk pro-spermatogonia og oogonia. Overraskende nok fandt forfatterne ud af, at det veletablerede udviklingsmæssige signalmolekyle, knoglemorfogenetisk protein (BMP), spillede en afgørende rolle i denne omprogrammerings- og differentieringsproces af hPGCLC'er.

"I betragtning af, at BMP-signalering allerede har en etableret rolle i kimcellespecifikation, var det meget uventet, at det også driver hPGCLC epigenetisk omprogrammering," siger Saitou.

Disse hPGCLC-afledte mitotiske pro-spermatogonia/oogonia viste ikke kun ligheder i genekspression og epigenetiske profiler med den faktiske hPGC-differentiering i vores kroppe, men gennemgik også omfattende amplifikation (over 10 milliarder gange).

"Vores tilgang muliggør næsten ubestemt amplifikation af mitotisk pro-spermatogonia og oogonia i kultur, og vi har nu også evnen til at lagre og genudvide disse celler efter behov," siger Saitou.

Forfatterne afslører også de potentielle mekanismer for, hvordan BMP-signalering kan føre til epigenetisk omprogrammering og hPGCLC-differentiering.

"BMP (signalering) ser ud til at dæmpe MAPK/ERK (mitogen-aktiveret proteinkinase/ekstracellulært reguleret kinase) signalvejen og både de novo og vedligeholdelsesaktiviteterne af DNMT (DNA methyltransferase), men yderligere undersøgelse vil være nødvendig for at bestemme den præcise mekanisme og om denne er direkte eller indirekte," forklarer Saitou.

"Vores undersøgelse repræsenterer ikke kun et grundlæggende fremskridt i vores forståelse af menneskets biologi og principperne bag epigenetisk omprogrammering hos mennesker, men også en sand milepæl i menneskelig IVG-forskning," siger Saitou.

Saitou siger:"Selvom der er mange udfordringer tilbage, og vejen helt sikkert vil være lang, især når man overvejer de etiske, juridiske og sociale implikationer forbundet med den kliniske anvendelse af human IVG, har vi ikke desto mindre nu taget et betydeligt spring fremad mod den potentielle oversættelse. af IVG til reproduktionsmedicin."

Flere oplysninger: Yusuke Murase et al., In vitro-rekonstitution af epigenetisk omprogrammering i den menneskelige kimlinje, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07526-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Kyoto University