全 文 ：精原干细胞的生命历程*
孙淼 朱宝长
(首都师范大学生命科学学院,北京 100037)
摘 要: 精原干细胞是动物体内的一种成体干细胞 ,在睾丸微环境中可以像胚胎干细胞一样具有增殖、分化
潜能。近年来借助于各种细胞学技术,人们对精原干细胞在不同睾丸微环境中的分化和发育状况进行了深入研
究,睾丸内不同种类细胞间的相互作用以及特定微环境对干细胞转分化的影响, 已成为本领域的热点核心内容。
将从精原干细胞生命历程的角度讨论该过程中所取得的研究成果和存在的问题。
关键词: 精原干细胞 睾丸微生境 精原干细胞移植
The Life Course of Spermatogonial Stem Cell
Sun Miao Zhu Baochang
( Col le ge of l i f e sci ence , Capi tal N ormal Univ ersi ty , Be ij ing 100037)
Abstract: Spermatogonial stem cell is a kind o f adult stem cells in male mammalia. Where, w hen and how the
spermato gonial stem cells t o develop ( mature) , prolifer ate ( self renew) and different iate ( spermatogenesis) in dif-
fer ent niche of testis have been approached by cellular manipulation in the test is r ecently. The interaction among dif-
fer ent cell ty pes in test is and special niche induced stem cell tr ans-differentiat ion were discussed in this ar ticle cover-
ing who le life course of the stem cells.
Key words: Spermatogonial stem cell Niche of testis T ransplantation of spermatogonial st em cell
精原干细胞是形成雄性生殖细胞 精子的前
体,它一方面自我更新生成新的干细胞,另一方面源
源不断的增殖分化形成各阶段的生殖细胞直至精
子,更重要的是它能向下一代传递遗传信息。因此,
其在许多物种的生存繁衍中扮演着至关重要的角
色。随着近年来科学家对雄性生殖调控复杂性的进
一步认识以及对该领域研究的进一步关注和投入,
作为生命个体启动暨归宿的因子之一, 精原干细胞
及其在体内的复杂而有序的发育分化过程逐步成为
这一领域的研究焦点。尽管精原干细胞的分化发育
行为异常复杂, 但在科学家的不断努力下,人们已经
逐步揭开了精原干细胞的生命历程之迷。
1 精原干细胞的来源
精原干细胞起源于外胚层,是一些外胚层细胞
由尿囊基沿后肠迁移到生殖嵴, 成为原始生殖细胞
( PGCs, pr imordial g erm cells)。在雄性个体中, 原
始生殖细胞进入胚胎的曲细精管中, 成为精原母细
胞并且停止分裂。与卵细胞不同, 精母细胞保持了
干细胞的潜能并迁移至曲细精管基底膜, 分化为精
原干细胞( spermato gonial stem cells; SSCs)。精原
干细胞在睾丸中位于紧贴曲细精管基膜的部位, 圆
形或椭圆形, 直径 12m 左右,细胞核呈圆形或轻微
椭圆形,体积较大,内含核仁 2~ 3个,多靠近核膜存
在,胞质除核糖体外均不发达。
2 精原干细胞的分化和发育
作为雄性生殖干细胞,精原干细胞是形成精子
的前体细胞。精子的发生是一个组织性极强的复杂
过程, 精原干细胞即 A s细胞( A s ingle细胞)它具有更
新自我的能力并且能够分化为 A pr 精原细胞
( A pair ed ) , A pr精原细胞继续分化,形成 4个、8个甚至
16个 A al精原细胞( A aligned )链。A al精原细胞不经过
有丝分裂即分化为A 1精原细胞 , A 1精原细胞经过
收稿日期: 2005-04-29
* 基金项目:国家自然科学基金( 30270197)资助
作者简介:孙淼( 1980- ) ,女,在读硕士,研究方向:细胞生物工程
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2005年第 6期
具有严格时效控制的 6次完全分裂后, 最终形成精
原母细胞。精原母细胞进行有丝分裂发育为精子细
胞。以 A al精原细胞分化为 A 1精原细胞为起始标
志,精原细胞的发育开始进入不可逆的分化过程,直
到成为成熟的精子。在曲细精管的有限区域内, 哺
乳动物的精子形成过程是连续循环的, 生殖细胞在
精子形成过程中呈放散状向管内移动, 直到精子释
放到内腔中央。沿着曲细精管, 精子形成以连续波
浪的形式发生, 每一波中含有不同状态的生殖细胞,
并被人为的划分为不同的时期, 如小鼠为 12 期, 大
鼠为 14期。
通过组织学方法人们已经可以对精原干细胞形
成精子的过程有了大致的了解, 但是生精过程中细
胞间的相互作用、协调等具体细节尚未清晰。1994
年, R. L . Brinster 首次将精原干细胞移植技术应用
于小鼠生殖细胞功能的检测 [ 1, 2] ,进一步证明了精子
发生是一个复杂的过程, 曲细精管中的各种细胞间
存在着相互作用。该实验所使用的生殖细胞移植技
术为进一步了解睾丸中各种细胞间相互作用的机制
提供了新的方法,开辟了新的研究领域,提供了新的
研究思路,借助这种方法,睾丸内生精过程中未知的
种种细节逐渐展露在我们面前, 同时也提出了新的
挑战。
3 睾丸环境对精子发生过程的影响
精子的发生过程是在睾丸中进行的, 睾丸内主
要存在三种细胞: 位于曲细精管间的赖氏细胞
( Leydig cell)主要分泌睾酮等雄性激素,曲细精管内
的生精细胞( Germ cell )及为生精细胞分化发育提
供支持和营养的支持细胞( Seito lic cell )。三种细胞
在睾丸环境中相互作用, 相互协调, 为精子的发生提
供了特定的微环境, 保证了这一过程的正常进行。
赖氏细胞位于曲细精管管腔间隙中, 主要通过雄激
素对精原干细胞的分化起作用; 支持细胞通过紧密
连接形成血睾屏障, 并将分化至各阶段的生精细胞
包裹其中,为精子的形成提供免疫豁免的环境,其与
精原干细胞相互识别, 营养支持和调节精原干细胞
的分化。支持细胞所提供的微环境对精原干细胞分
化的作用一直是雄性生殖学领域研究的重点,精原
干细胞移植技术的出现就为这一领域的研究提供了
技术支持。
1995年, Jiang和 Shor t进行大鼠间精原干细胞
移植获得成功 [ 3] , 进一步证实了同种间精原干细胞
移植的可行性, 显示了睾丸环境可以支持并重建同
物种的精子发生, 同时也提出了异种间移植这一新
的挑战。
1996年,以 R. L . Brinster [ 4]为首的科学家提取
大鼠的精原干细胞并将其注射到经过白消安
( Busulfan)处理后灭绝自身生殖细胞的免疫缺陷型
小鼠的睾丸曲细精管中, 几个月后, 在受体小鼠的附
睾中观察到了具有特定头部形态的成熟大鼠精子,
证明了大鼠的精原干细胞可以在小鼠支持细胞提供
的微环境中得到重建, 并可以从受体小鼠曲细精管
管腔中央向基底膜迁移, 重新在基底膜固定并启动
生精过程, 在受体小鼠睾丸内支持细胞的营养下逐
步发育为成熟的精子。
随后,对异种个体间精原干细胞移植的研究在
雄性生物学领域广泛展开。1999年, Takehiko Oga-
w a
[ 5]等将仓鼠精原干细胞作为供体细胞, Dobrinski
I[ 6] 等将兔和狗的生殖细胞移植到小鼠睾丸中, 2002
年, J . M . Oat ley[ 7]等将 1至 4月龄的小牛作为供体,
Makoto Nagano
[ 8] 等甚至突破性的将灵长类动物的
精原干细胞向小鼠睾丸内移植, 结果这些供体的精
原干细胞虽然都未实现完整的精子发生过程, 但都
可以在受体小鼠睾丸内建立生殖干细胞的克隆, 并
且可以维持很长时间。
一系列的异体精原干细胞移植实验结果显示,
供体精原干细胞可以在不同物种受体睾丸环境中成
活, 在受体睾丸基底膜重新定位并维持相当长的一
段时间,但是供体与受体之间种族系统发育距离越
远, 移植后完成完整的精子发生过程可能性越小。
由此可以看出, 支持细胞在精子生成过程中只为精
原干细胞提供通用的生存环境, 且其提供的微环境
对精子发生的影响并不具有完全的物种特异性, 可
以满足异种精原干细胞的分裂增值, 但是能否启动
生精过程则取决于移植物种间种族差异的远近, 这
可能与支持细胞和精原干细胞间相互联系的情况有
关。因此异种移植后精原干细胞只能增殖不能启动
分化的原因成为科学家探讨的另一目标。
4 是谁决定了生精周期
生殖发育周期指由精原干细胞发育到成熟精子
412005年第 6期 孙淼等:精原干细胞的生命历程
所需要的时间, 物种间并不相同。由于人们很早就
认识到支持细胞对生精细胞的营养和调节作用, 了
解包埋在支持细胞中的精原干细胞只有发育到特定
时期才能在支持细胞的协助下向管腔内部逐步移
动, 所以多数研究者认为是支持细胞对生精细胞的
作用决定了生殖发育周期的时间长短, 即支持细胞
对精原干细胞的成熟起着决定性的作用。1994 年
R. L . Brinster 的实验颠覆了这一观点。他们提取大
鼠的精原干细胞并将其注射到经过白消安 ( Busu-l
fan)处理后灭绝自身生殖细胞的免疫缺陷型小鼠的
睾丸曲细精管中, 并在受体小鼠的附睾中观察到了
具有特定头部形态的成熟大鼠精子 [ 4] , 说明在小鼠
支持细胞的调节协助下, 大鼠的精原干细胞依照其
本身携带的遗传特性发育成特定的形态, 更重要的
是该实验显示尽管大鼠的生精过程是 52 天, 小鼠的
生精周期为 35天,但供体大鼠的生殖细胞仍然得到
了受体小鼠睾丸中支持细胞的营养支持, 并精确的
维持了大鼠细胞周期的时间( 52天)及大鼠生殖细胞
的组织模式, 证实了大鼠精子发生周期持续时间是
由生殖细胞本身调控的, 而不是由支持细胞决定的。
由此可以确定种间固有的生殖细胞分化的时间及模
式是由其生殖细胞本身携带的基因组决定的,而并
不受对其起支持作用的体细胞的影响。可以设想,
如果没有干细胞移植技术的成熟应用, 这个问题的
阐明几乎是不可能的。
5 精原干细胞的最佳活性时期
生命进程有幼年、成年、老年之分, 在不同时期
动物个体各种组织器官的功能也不尽相同,那么生
命进程中是否也存在精原干细胞的最佳活性时期一
直是人们关注的问题。在同种精原干细胞移植实验
中科学家们分别以处于不同生命发育时期的小鼠作
为供体,发现出生后 6~ 8天小鼠的精原干细胞作为
供体时移植成功效率最高,也从一个侧面说明了虽
然刚出生不久的小鼠睾丸内的生精过程处于停滞阶
段,但是其精原干细胞的活性却处于较强时期。这
一结果与人们想象中性成熟后精原干细胞活性才进
入最强期相差较远。由此可以推测精原干细胞分化
的启动可能是由支持细胞控制的, 在未得到支持细
胞的信号之前, 即使精原干细胞已经具有分化能力,
仍然处于发育停滞的状态。
6 精原干细胞的 寿命究竟有多长
精原干细胞的增值、分化、发育贯穿于个体的整
个生命过程, 但最近的研究表明其生命历程并不仅
止于此。2003年 M ito Kanatsu-Shinohar a[ 11]等科学
家对精原干细胞进行了连续移植, 他们在荧光显微
镜下选取已经显现绿色荧光的第一代移植小鼠的曲
细精管,提取其中的精原干细胞作为供体移植到第
二代小鼠睾丸内,实验表明移植两个月后 36%的曲
细精管中可以显现克隆, 与第一代移植的成功率没
有显著差异。T akehiko Ogaw a[ 12] 等人也曾用一年
多时间将带有绿色荧光标记小鼠的精原干细胞连续
移植了四代,其细胞活性亦未发生消退,由此可以推
测精原干细胞的同一克隆可以被连续移植且保持其
干细胞的活性。因此精原干细胞的寿命究竟有多
长,是否可以通过异体移植的手段实现 永生还需
要进一步深入研究。
精子作为生命起源最初的发动者之一, 它的产
生及发育历程直接决定着生命个体的产生和质量。
随着精原干细胞移植这种新技术的出现, 精原干细
胞的生命历程逐渐为更多科学家所关注, 在睾丸这
一特殊环境中其分化发育的神秘面纱逐步被揭开的
同时,精原干细胞的归巢机制、如何穿越血睾屏障形
成的紧密连接、精细胞与支持细胞的相互识别等等
更多的未知细节又展露在我们面前, 等待着进一步
的探索和发现。
参 考 文 献
1 Brin ster RL, Zimmermann JW. Proc Nat l Acad Sci U SA, 1994,
91 : 11289~ 11302.
2 Brin ster RL, Avarb ock MR. Proc Natl Acad Sci U S A, 1994,
91: 11303~ 11307.
3 Jian g FX, Sh ort RV. Int J Androl, 1995, 18: 326~ 330.
4 Russell LD, Brin ster RL. J Androl, 1996, 17: 615~ 627.
5 Takehiko Ogawa, Ina Dob rinski, Mary R. Avarbock, et al. Biol-
ogy of reproduct ion, 1999, 60: 515~ 521.
6 Dobrinski I , Avarbock M R, Brister RL . Biol Reprod, 1999, 61:
1331~ 1339.
7 J. M . Oat ley , D. M . d e Avi la, D. J . Mclean , et al. J. An im. Sci. ,
2002, 80: 1925~ 1931.
8 Makoto Nagano, John R, McCarrey, RL Brister. Biology of
eprocdut ion , 2001, 64: 1409~ 1416 .
(下转第 50页)
42 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 6期
参 考 文 献
1 闵恩泽,唐忠,杜泽学,等.中国工程科学, 2005, 7( 4) : 1~ 4, 35.
2 冀星,郗小林,孔林河,等.中国工程科学, 2002 , 4( 9) : 86~ 93.
3 Demirbas A. E nergy Conversion and Management , 2002, 44
( 2003) : 2093~ 2109.
4 闵恩泽主编. 绿色化学与化工. 北京:化学工业出版社, 2002, 5.
5 H aas M J, McAloon AJ, Yee WC, et al . Bioresour T echnol,
2005, [ Epub ahead of print ] .
6 Lang X, Dalai AK, Bakhshi NN, et al. Bioresour T echnol,
2001, 80( 1) : 53~ 62.
7 Cardone M, M azz oncini M , Menini S, et al. Biomas s- and-Bioener-
gy, 2003, 25( 6) : 623~ 636.
8 Pereira MG, Mudge SM. C hem osphere, 2004, 54 ( 3) : 297~
304.
9 Frohlich A, Rice B. Indust ria-l Crops- and-Products, 2005, 21
( 1) : 25~ 31.
10 刘后利. 油菜遗传育种学. 北京:中国农业大学出版社, 2000,
8.
11 陈锦清,郎春秀,胡张华, 等. 农业生物技术学报, 1999, 7( 4) :
316~ 320.
12 C hris S, Shauna S . S cien ce, 1999, 285: 380 ~ 383.
13 Arabidops is genome in itiat ive, Natu re, 2001, 408 ( 6814) : 796
~ 815.
14 Riechmann JL, H eard J , Jiang CZ, et al . Science, 2000, 290:
2105~ 2110.
15 Liu YG, Shirano Y, Fuk aki H , et al . PNAS, 1999, 96: 6535~
6540.
16 Zuo J, Chu a NH . Cur r. Opin . Biotechn ol , 2000, 11: 146~ 151.
17 何业华, 熊兴华, 官春云, 等. 作物学报, 2003, 29 ( 4) : 615~
620.
18 Zhang HX, H od son JN, W illiam JP, et al. PNAS, 2001, 98
( 22) : 12832~ 12836.
19 Guan L, Zh ao J, Scandalios JG. T he Plan t Journ al, 2000, 22
( 2) : 87~ 95.
20 田吉林,杨玉爱,何玉科. 植物生理与分子生物学学报, 2003 ,
29( 5) : 409 ~ 414.
21 Zhao S, Wu WH . Acta Botanica S inica, 2001, 43: 105~ 107.
22 康国斌, 许勇, 雍伟东,等.植物学报, 2001, 43( 9) : 955~ 959.
23 Roesler K, Sh intani D, S avage L. Plant Physiology, 1997, 113
( 1) : 75~ 81.
24 Zou J, Katavic V, Giblin EM. T he Plant Cel l, 1997, 9( 6) : 909
~ 923.
25 Dehesh K, J ones A, Knutzon DS, et al. Plan t J , 1996, 9( 2 ) :
167~ 72.
(上接第 42页)
9 Ogaw a T , Dobrinski I, Brister RL. Tis sue CELL, 1999, 31: 461
~ 472.
10 Clayton J. Br inster, Buom-Yon g Ryu, Mary R. et al. Biology
of reprocdu tion 2003, 69: 412~ 420 .
11 Mito Kanatsu-Shin ohara, S hinya T oy ok uni, T akeshi Morim o-
to, et al. Biology of reprocdu tion 2003, 68: 1801~ 1807 .
12 Takehiko Ogaw a, Masako Ohm ura, Yasush i Yumu ra, et al .
Biology of r eprocdut ion 2003, 68: 316~ 322.
国外动态
Arcadia公司推出转基因耐盐育种技术
AgBio tech 2004年 21卷 4期 4页报道: Arcadia生物科学公司已将其转基因耐盐育种技术转让给 Cal/
w est种子公司,允许这家公司利用这一技术培育耐盐苜蓿。根据双方签订的协议, Cal/ w est公司独家拥有
在世界范围内培育和销售含有 A rcadia 公司的耐盐基因的苜蓿种子的权利。目前, Cal/ West 公司已将这种
耐盐的苜蓿种子销售至世界上的主要苜蓿种植国,包括美国、加拿大、墨西哥、阿根廷、澳大利亚和中东国家。
已知土壤的盐害是由天然和人为两方面的原因造成的。人为的原因是长期和过度的灌溉。据统计,目
前全世界已有 77百万余公顷的耕地遭受盐害的威胁。Ar cadia 公司的转基因耐盐育种技术,可使农作物能
在盐害土壤中生长, 并提高其单产和收益。据悉, 除耐盐苜蓿外, Arcadia公司还培育出耐盐的番茄, 并拟将
耐盐育种研究推广到其他农作物, 包括水稻和小麦。 汪开治
50 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2005年第 6期