专家点评 | 邹康团队在雌性生殖干细胞研究中取得进展

点评 | 郑萍（中科院昆明动物研究所）

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雌性生殖干细胞是雌性动物卵巢内具有自我更新和分化能力的生殖系干细胞。生殖生物学的传统观点认为，雌性哺乳动物卵巢内所有的生殖细胞在胚胎期已经进入减数分裂阶段，因此出生后的卵巢内不存在有丝分裂活性的生殖干细胞【1】。2009年，上海交通大学吴际教授团队率先从新生和成年小鼠卵巢内分离出了具有自我更新的生殖系细胞，并成功的在体外建系，将这些生殖干细胞植入药物诱导的不孕不育小鼠卵巢后能够使其恢复生殖力，因此首次揭示出生后的哺乳动物卵巢内具有生殖干细胞【2】。在过去的10年里，雌性生殖干细胞的分离鉴定工作取得了很大的进展，已经从鱼类【3】、大鼠【4】、猪【5】、羊【6】和人类【7,8】等多种物种卵巢内分离到了雌性生殖干细胞。另一方面，关于雌性生殖干细胞的生物学特性研究也有较大的进展，如Guo等证明了雌性生殖干细胞在成年小鼠卵巢内也具有卵子发生的活性，而并非是永久静息的状态【9】，Li等发现Hippo信号通路与雌性生殖干细胞的老化相关【10】，Liu等分析研究了有丝分裂中的雌性生殖干细胞的单个细胞特性【11】，Zhang等比较了雌性生殖干细胞与精原干细胞的表观遗传异同【12】，Wu等发现了白藜芦醇能够抑制化疗和衰老引起的雌性生殖干细胞凋亡【13】。

尽管雌性生殖干细胞的研究取得了快速进展，但仍存在许多问题有待解决，比如雌性生殖干细胞与微环境的作用机制，雌性生殖干细胞的自我更新与分化机制，仍不明确。

钙黏素分子是许多细胞表面的信号分子，既与细胞的结构有关，又参与细胞的信号调控。22号钙黏素分子（Cadherin-22，CDH22）是首先在脑和垂体里鉴定出的一种新型钙黏素分子，与脑发育有关。在大鼠中，22号钙黏素分子由Cdh22基因编码，编码产物有长型和短型两种蛋白。研究证明，短型CDH22蛋白不同于其它钙黏素家族成员，它不具有catenin结合结构域【14】。吴际教授阐明短型CDH22蛋白能够通过JAK-STAT和和PI3K-AKT信号通路调控大鼠精原干细胞的自我更新【15-17】。

近期，南京农业大学动物科技学院生殖干细胞与微环境实验室邹康教授团队发现CDH22在小鼠生殖细胞和周围体细胞中特异性高表达，因此进一步研究了CDH22在雌性生殖干细胞中的功能。研究发现CDH22在小鼠雌性生殖干细胞中只编码一种蛋白，而且能够与β-catenin和JAK-STAT通路互作来调控雌性生殖干细胞的自我更新。此外，还发现滋养层细胞中的CDH22存在有利于雌性生殖干细胞的贴壁和集落形成。上述工作表明，CDH22不仅是雌性生殖干细胞表面与细胞维持和自我更新相关的关键蛋白，而且可能是雌性生殖干细胞微环境中的一个重要分子。该工作于2018年发表在Cellular and Molecular Life Sciences 上【18】。（张小宇博士为第一作者，邹康教授为通讯者，https://dx.doi.org/10.1007/s00018-017-2689-4 ）

图1.CDH22调控小鼠雌性生殖干细胞自我更新的分子机制示意图【18】。

在此工作基础上，邹康教授团队对雌性生殖干细胞的自我更新机制进一步展开研究：已有研究证明，GDNF能够通过SFK家族激活Bcl6b，Etv5和Lhx1基因，来调控小鼠精原干细胞的自我更新【19】。近期，研究者通过分析小鼠精原干细胞和雌性生殖干细胞表达差异基因，寻找到了调控雌性生殖干细胞的关键信号网络，并预测AKT3是其中的枢纽分子。进一步探究信号分子的关联性发现，AKT3不仅通过PI3K与CDH22存在相互作用，而且是GDNF信号通路的下游作用分子，并且与SFK家族也存在关联性。但有趣的是，GDNF可能在精原干细胞与雌性生殖干细胞中与不同的SFK蛋白成员互作，从而揭示了AKT3分子是调控雌性生殖干细胞自我更新的一个核心枢纽分子，而且与在精原干细胞中有不完全相同的信号调控机制。这一发现对揭示雌性生殖干细胞自我更新的核心网络，解答调控雌性生殖干细胞命运的生物学机制，以及提高雌性生殖干细胞的体外建系成功率都有重要的意义。这一工作于2019年5月1日在Stem Cells 杂志在线发表。

（张小宇博士为第一作者，邹康教授为通讯作者，

https://stemcellsjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/stem.3030 ）

图2.AKT3调控雌性生殖干细胞自我更新的信号通路图示。

另一方面，关于雌性生殖干细胞的体外诱导分化也取得了阶段性的进展。通过向体外培养的雌性生殖干细胞中添加维甲酸、卵泡液、雌激素等诱导因子，或者通过与颗粒细胞共培养的方法来诱导雌性生殖干细胞向卵母细胞分化，最终在体外获得了GV 期的卵母细胞，检测到了减数分裂标志基因Sycp3和成熟阶段卵母细胞标志物Zp3的表达，通过双光子激光扫描显微镜证实诱导分化的GV期卵母细胞与野生型小鼠卵巢采集的GV期卵母细胞结构类似，而区别于未分化的雌性生殖干细胞。这一工作证实了雌性生殖干细胞在体外培养的过程中维持了生殖系定向分化的能力，也对体外诱导卵子发生具有一定的参考意义。这一工作于2019年1月发表在Cell Proliferation上【20】。（邹康教授为并列第一作者，吴际教授为通讯作者，

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/cpr.12530 ）

图3. 通过two‐photon laser scanning microscope比较野生型GV期卵母细胞、雌性生殖干细胞分化的GV期卵母细胞和未分化的雌性生殖干细胞的结构特征。

综上所述，虽然雌性生殖干细胞的研究取得许多进展，但仍有大量工作需要进一步展开，特别是雌性生殖干细胞在生殖医学、再生医学、畜牧学等领域的应用值得深入探索。

郑萍（中科院昆明动物研究所研究员，长期从事哺乳动物胚胎发育相关研究）

雌性生殖干细胞的发现对生殖生物学和生殖医学有重要的意义。近年来对雌性生殖干细胞的研究已陆续取得多项进展，但仍有较多的关键问题有待解答。另外，有些实验室在雌性生殖干细胞的体外建系上还存在一定困难，这些对雌性生殖干细胞的推广和应用都造成了一定的障碍。出现这种情况的原因之一是雌性生殖干细胞的数量稀少，且自我更新和分化的调控机制不明，导致在培养和体外分子操作过程中存在较大难度。

吴际教授和邹康教授在先前的工作基础上进一步深入研究小鼠雌性生殖干细胞的生物学特性和机制，通过比较雄性与雌性生殖干细胞的自我更新的关键蛋白及其所涉及的信号通路，初步绘制了雌性生殖干细胞自我更新的一个核心网络AKT3信号通路，并发现雌性生殖干细胞与精原干细胞涉及相似但不完全相同的分子机制。这对揭示雄性与雌性生殖干细胞的生物学特性，尤其是差异性，有重要的生物学意义。作者对GDNF和AKT3的功能鉴定和信号通路的揭示，将有助于雌性生殖干细胞体外培养系统的优化，对雌性生殖干细胞在基础研究和临床应用方面都具有较为重要的参考价值。

另一方面，体外诱导分化雌性生殖干细胞的体外诱导分化虽然只获得了GV期的卵母细胞，但这一工作迈出了体外产生配子的第一步，具有一定的学术价值。雌性生殖干细胞的体外培养条件复杂，在去除了维持自我更新的因子和滋养层细胞后，细胞更倾向于凋亡。作者通过三步法实现诱导分化产生GV期的卵母细胞，提示雌性生殖干细胞的分化过程可能包括多个环节，每个环节所需要的信号分子和微环境也是不同的。这一工作对临床医学具有一定的参考意义。

制版人：半夏

1. Zuckerman, S., . The number of oocytes in the mature ovary. (1951).

2. Zou, K., et al. Production of offspring from a germline stem cell line derived from neonatal ovaries. Nature cell biology 11, 631-636 (2009).

3.  Nakamura, S., Kobayashi, K., Nishimura, T., Higashijima, S.-i. & Tanaka, M. Identification of Germline Stem Cells in the Ovary of the Teleost Medaka. Science 328, 1561-1563 (2010).

4. Zhou, L., et al. Production of fat-1 transgenic rats using a post-natal female germline stem cell line. Molecular Human Reproduction 20, 271-281 (2014).

5.  Bai, Y., et al. Location and characterization of female germline stem cells (FGSCs) in juvenile porcine ovary. Cell Proliferation 46, 516–528 (2013).

6. Parte, S., et al. Dynamics associated with spontaneous differentiation of ovarian stem cells in vitro. Journal of Ovarian Research 7, 1-16 (2014).

7. White, Y.A.R., et al. Oocyte formation by mitotically-active germ cells purified from ovaries of reproductive age women. Nature medicine 18, 413-421 (2012).

8. Ding, X., et al. Human GV oocytes generated by mitotically active germ cells obtained from follicular aspirates. Sci Rep 6, 28218 (2016).

9.  Guo, K., Li, C.-h., Wang, X.-y., He, D.-j. & Zheng, P. Germ stem cells are active in postnatal mouse ovary under physiological conditions. Molecular Human Reproduction 22, 316-328 (2016).

10.  Li, J., et al. Ovarian Germline Stem Cells (OGSCs) and the Hippo Signaling Pathway Association with Physiological and Pathological Ovarian Aging in Mice. Cellular Physiology and Biochemistry 36, 1712-1724 (2015).

11.   Liu, J., et al. Isolation and characterization of string-forming female germline stem cells from ovaries of neonatal mice. Journal of Biological Chemistry 292, jbc.M117.799403 (2017).

12. Zhang, X.L., et al. Integrative epigenomic analysis reveals unique epigenetic signatures involved in unipotency of mouse female germline stem cells. Genome Biology 17, 162 (2016).

13. Wu, M., et al. Resveratrol alleviates chemotherapy-induced oogonial stem cell apoptosis and ovarian aging in mice. Aging 11, 1030-1044 (2019).

14. Sugimoto, K., et al. Molecular cloning and characterization of a newly identified member of the cadherin family, PB-cadherin. Journal of Biological Chemistry 271, 11548-11556 (1996).

15. Wu, J., Jr, J.W., Laslett, A.L., Meinhardt, A. & Orth, J.M. Expression of a novel factor, short-type PB-cadherin, in Sertoli cells and spermatogenic stem cells of the neonatal rat testis. Journal of Endocrinology 176, 381 (2003).

16. Wu, J., Jester, W. & Orth, J. Short-type PB-cadherin promotes survival of gonocytes and activates JAK-STAT signalling. Developmental Biology 284, 437-450 (2005).

17. Wu, J., et al. Short-type PB-cadherin promotes self-renewal of spermatogonial stem cells via multiple signaling pathways. Cellular Signalling 20, 1052 (2008).

18. Zhang, X., et al. Cadherin 22 participates in the self-renewal of mouse female germ line stem cells via interaction with JAK2 and β-catenin. Cellular & Molecular Life Sciences, 1-13 (2018).

19. Oatley, J.M., Avarbock, M.R. & Brinster, R.L. Glial cell line-derived neurotrophic factor regulation of genes essential for self-renewal of mouse spermatogonial stem cells is dependent on Src family kinase signaling. The Journal of biological chemistry 282, 25842-25851 (2007).

20. Zou, K., et al. Comparison of different in vitro differentiation conditions for murine female germline stem cells. Cell Proliferation 0, e12530 (2018).

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