哺乳动物的生殖细胞在雌性中分化为卵母细胞，在雄性中分化为精子。卵母细胞和精子融合形成受精卵，然后发育成新的个体，从而将其遗传和表观遗传信息传递给下一代。在发育过程中，生殖细胞经过表观遗传重编程和表观遗传编程，在受精时获得全能性，以高保真度维持基因组信息，并且通过减数分裂重组产生基因组多样性。

为了探索生殖细胞在发育过程中获得的这些独特功能的分子和系统层面的机制，已经做出了大量的努力。在这些努力所获得的知识的基础上，过去十年来，利用多能性干细胞（pluripotent stem cell, PSC）在体外重建生殖细胞发育的研究取得了显著进展，这些多能干细胞包括来自植入前胚胎的胚胎干细胞（ESC）和通过转录因子诱导的重编程让体细胞产生的诱导性PSC（induced PSC, ipsC）。这种称为体外配子发生（in vitro gametogenesis, IVG）的过程不仅为进一步探索生殖细胞的发育机制提供了基础，也为新的医学应用创造了前景。

研究进展

小鼠PSC（mPSC）可被诱导为小鼠原始生殖细胞样细胞（mouse primordial germ cell–like cell, mPGCLC），即创始生殖细胞群体。通过将mPGCLC与小鼠胚胎卵巢体细胞一起培养（由此形成重建卵巢），重建了卵子发生，由此产生的卵母细胞产生了后代。该系统揭示了卵母细胞发育的关键机制，包括在小鼠ESC中引起卵母细胞样生长的转录因子。通过让小鼠胚胎睾丸体细胞与mPGCLC一起培养（由此形成重建睾丸），重建了小鼠原始生殖细胞（mPGC）到精原细胞（spermatogonia）的发育过程，由此产生的精原细胞在体外繁殖，在移植到睾丸后有助于精子发生。此外，在不使用卵巢体细胞的情况下，这种卵母细胞命运决定途径已被重建，从而揭示了表观遗传重编程、卵母细胞命运决定和减数分裂进入的机制。

体外配子发生，图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.aaz6830。

人类PSC（hPSC）被诱导成人类原始生殖细胞样细胞（hPGCLC），hPGC/hPGCLC特化的机制已被阐明，并被证明涉及关键的转录因子、它们的作用层次以及它们的调节线路，所有这些都与mPGC/mPGCLC特化的机制不同。hPGCLC已被发现经历了表观遗传重编程，并通过与小鼠胚胎卵巢体细胞或小鼠胚胎睾丸体细胞（异种重建卵巢或重建睾丸）一起培养，分别分化成早期卵母细胞或精原细胞前体细胞（prospermatogonia），为人类IVG建立了基础。近期，mPSC被诱导为完全能够支持基于mPGCLC的卵子发生的小鼠胚胎卵巢体细胞样细胞，为在人类和其他物种（包括濒危物种）中产生相应的细胞铺平了道路，从而有力地促进了它们的IVG。

展望

小鼠IVG的概念验证和人类IVG的基本框架已经建立，为探索小鼠和人类生殖细胞的发育机制---包括那些在技术和伦理上都难以解决的发育机制---创造了机会。IVG技术可以应用于包括濒危物种在内的其他动物，从而实现物种保护。实现人类IVG需要进一步的进展，但将为诊断和模拟不孕不育症、探索其补救措施和改进人工生殖技术创造可能性，从而推动生殖医学的发展。人类IVG也可以扩展为生殖应用，但在这被认为是允许的之前，分析必须包括对IVG衍生的动物模型---最好是灵长类动物模型---进行适当的“正常性”评估，以及对hPSC和所产生的配子进行遗传和表观遗传评估。一旦所有的技术问题得到解决，在全社会范围内讨论是否使用IVG衍生的配子进行人类生殖是至关重要的，因为这种应用将改变我们对人类起源和生命延续的理解。

参考资料：

Mitinori Saitou et al. Mammalian in vitro gametogenesis. Science, 2021, doi:10.1126/science.aaz6830.