苏黎世联邦理工学院干细胞生物学家、资深作者Ori Bar-Nur说:“我们的研究表明，我们可以使用无菌动物作为宿主，从其他动物物种中生成生殖细胞。”“除了概念上的进步，这一概念还可以用于在更流行的动物体内产生濒危动物物种的配子。其他影响可能涉及一种改进的方法来生产用于生物医学研究的大鼠转基因模型。”

多能干细胞(PSCs)为生物医学研究提供了强大的工具，但从PSCs中生成卵子或精子细胞形式的配子是一个极具挑战性的努力。在之前的研究中，研究人员使用一种称为囊胚互补的技术，利用PSCs和不能产生特定器官的突变小鼠胚胎在小鼠体内生成大鼠器官。在这项工作的基础上，Bar-Nur和他的合作者想知道是否有可能在携带基因突变的小鼠体内产生大鼠精子，否则这些基因突变会使小鼠不育。

为了验证这一想法，研究人员将大鼠PSCs注射到小鼠胚胎中，以产生小鼠-大鼠嵌合体。小鼠囊胚中产生精子的一个关键基因发生了突变。大鼠干细胞与小鼠细胞一起发育，从而产生了由两个物种的基因型组成的嵌合动物。这种导致不育的基因突变的结果是，睾丸内形成了一个空的生态位，使大鼠细胞能够在它们体内定植，并在小鼠-大鼠嵌合体中只产生大鼠精子。精子细胞可以使鼠的卵细胞受精，但胚胎不能正常发育或产生活的后代。

“我们对这两种物种的相对简单性感到惊讶，我们可以混合产生可行的小鼠-大鼠嵌合体。总的来说，这些动物看起来很健康，发育正常，尽管它们在嵌合动物中同时携带了小鼠和大鼠细胞，”Bar-Nur说。第二个令人惊讶的发现是，嵌合体中所有的精子细胞都来自于大鼠。因此，由于基因突变导致的小鼠宿主环境是无菌的，但仍然能够支持来自不同物种的高效精子细胞的产生。”

虽然研究人员能够产生在形态上与正常大鼠精子细胞没有区别的大鼠精子细胞，但这些细胞是不动的，而且与大鼠体内产生的大鼠精子细胞相比，大鼠卵子的受精率显著降低。尽管如此，这项工作还是提供了一个原理证明:通过将一种动物和另一种动物混合在一种被称为嵌合体的人工产生的有机体中，人们可以在另一种动物中产生精子细胞。用无菌小鼠制备转基因大鼠PSCs可加快转基因大鼠的生产，在生物医学研究中用于模拟人类疾病。

接下来，研究人员将尝试从小鼠-大鼠嵌合体中产生的小鼠精子细胞中产生活的动物。“我们需要改进这项技术，并证明在小鼠体内产生的大鼠精子可以在使大鼠卵子受精时长成成年大鼠，”Bar-Nur说。

一项更长远的计划是将这项技术应用于濒危啮齿类动物的配子生产，以支持动物物种保护工作。“例如，在某种程度上，我们可以从一种濒危的啮齿动物身上获取干细胞，这种动物在某一时刻可能会灭绝，我们可能可以使用同样的方法，通过对小鼠进行嵌合体生产来产生它的生殖细胞，”Bar-Nur说。“然而，需要注意的是，要将这项技术应用于其他动物物种，还需要克服一些科学障碍。此外，人们还需要展示雌性不育小鼠的雌性生殖细胞(即卵子)的产生，特别是如果我们设想将这项技术用于物种保护工作。”

Journal Reference:

1. Joel Zvick, Monika Tarnowska-Sengül, Adhideb Ghosh, Nicola Bundschuh, Pjeter Gjonlleshaj, Laura C. Hinte, Christine L. Trautmann, Falko Noé, Xhem Qabrati, Seraina A. Domenig, Inseon Kim, Thomas Hennek, Ferdinand von Meyenn, Ori Bar-Nur. Exclusive generation of rat spermatozoa in sterile mice utilizing blastocyst complementation with pluripotent stem cells. Stem Cell Reports, 2022; DOI: 10.1016/j.stemcr.2022.07.005