结构化摘要
引言
哺乳动物的性别决定依赖于性腺体细胞的分化，这些细胞创造了一个特定性别的环境，决定了生殖细胞的命运并保证了生育能力。尽管遗传性别在受精时就已经确定，但生殖细胞最初是未分化的，只有在与性腺体细胞相互作用后才会获得男性或女性的身份。在体外重建这一过程将提供一个强大的平台，用于研究性别决定的机制，并实现体外配子发生。然而，尽管在从多能干细胞中创建类似原始生殖细胞的细胞（PGCLCs）方面取得了进展，但重建功能性性腺体环境（特别是睾丸微环境）仍然是一个主要挑战。
研究理由
在体内，具有双潜能的性腺通过一个严格调控的基因网络进行性别决定，这一过程由XY胚胎中Sry基因的表达启动，导致Sertoli细胞的分化和睾丸的形成。这一过程通过拮抗性信号通路和旁分泌相互作用得到稳定，这些机制抑制了女性命运。我们假设，在培养中忠实地重建睾丸发育需要：(i) 生成具有双潜能的性腺状态；(ii) 传递适当的性别决定信号；(iii) 睾丸体细胞与原始生殖细胞之间的协调相互作用。为了验证这一点，我们开发了一个基于多能干细胞的系统，该系统能够在体外重建性腺性别决定并支持男性生殖细胞的分化。
结果
使用携带性别特异性报告基因Sox9-GFP（睾丸）和Foxl2-tdTomato（卵巢）的小鼠胚胎干细胞，我们建立了培养条件，使细胞通过双潜能性腺状态发展为类似睾丸体细胞的细胞（TesLCs），这一过程依赖于Y染色体。骨形态发生蛋白（BMP）和WNT信号的调节仅从XY细胞中诱导出SOX9阳性的支持细胞，并形成了包含Sertoli细胞和间质细胞的类似生精小管的结构。单细胞转录组分析显示，体外分化轨迹与体内的性别决定过程非常相似，出现了一个富含Sry、Sox9、Amh和Dmrt1基因的男性特异性细胞群，这些基因对Sertoli细胞的分化和/或功能至关重要。当TesLCs与PGCLCs结合时，它们形成了支持男性生殖细胞分化的睾丸类器官。在这些类器官中，PGCLCs依次分化为精原细胞和精子细胞，并进一步发展为能够进行减数分裂的精子细胞。从类器官中分离出的类生殖干细胞（GSCLCs）可以在体外无限增殖。当这些细胞移植到不育受体小鼠体内时，它们能够重建精子发生过程并产生能够受精的成熟精子，从而产生健康且可生育的后代。该系统还揭示了性别决定的内在特征。虽然SOX9阳性细胞的分化严格依赖于Y染色体的存在，但FOXL2阳性细胞可以从XY细胞中生成，并支持卵子发生，这突显了男性和女性性别决定途径之间的根本差异。
结论
本研究建立了一个完全由多能干细胞衍生的睾丸发育模型，该模型能够在不使用胚胎组织的情况下重建性别决定过程并生成功能性精原干细胞。这一平台使我们能够对性腺发育、性别决定以及生殖细胞与体细胞的相互作用进行机制分析，并为将生殖细胞重建技术扩展到其他哺乳动物物种提供了基础，对生殖生物学和医学具有广泛的意义。
睾丸类器官的生成。
睾丸细胞（TesLCs）可以通过性别决定过程从多能干细胞中诱导出来，并与多能干细胞衍生的PGCLCs结合形成睾丸类器官，在其中PGCLCs分化为能够生成成熟精子的功能性精原干细胞。右下角是一张睾丸类器官的荧光图像。Y表示Y染色体。
摘要
性腺体细胞的适当分化对于性别决定和性激素及配子的产生至关重要。在培养中重建这一过程将加深我们对这一过程的理解，并实现体外配子的生成。在这里，我们报告了使用小鼠多能干细胞重建睾丸体细胞的方法。该重建过程再现了性别决定过程，产生了形成生精小管和相邻间质组织的细胞类型。重建的睾丸组织包含了多能干细胞衍生的原始生殖细胞，并支持它们分化为精原干细胞。这些精原干细胞在移植到睾丸后分化为功能性精子细胞。这项研究有助于更深入地理解性别决定过程，并为在培养中创建男性生殖细胞的替代来源提供了可能。
