_精原干细胞自我更新与分化的调控_精原干细胞自我更新与分化的调控
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DOI:10.13263/j.cnki.nja.2013.11.003
NJA 中华男科学杂志 National Journal of Andrology Zhonghua Nan Ke Xue Za Zhi 2013，19（ 11） ： 963 － 967
http： / / www． androl． cn
图 2 精原细胞分化示意图
As ： 单个 A 型精原细胞； Apr ： 成对 A 型精原细胞； Aal-4 、Aal-8 、Aal-16 ： 链状 A 型精原细胞； A1-4 ： A1 、A2 、A3 、A4 型精原细胞； In： 中间型精原 细胞； B： B 型精原细胞。箭头代表细胞分化方向，空箭头的宽度与分 化 的 比 例 相 关。 As 、 Apr 、Aal 型 为 GFＲα1 + 、Plzf + 、E-CAD + 、 NGN3 + ； A1-4 型为 Kit + 。
图 1 SSC 的增殖与分化
SSC： 精原干细胞； TA cells： 短暂扩增细胞。SSC 位于生精小管基底 膜，通过对称分裂，1 个 SSC 可增殖形成 2 个 SSCs 或 2 个精原细胞； 通过不对称分裂，1 个 SSC 可形成 1 个 SSC 和 1 个可向下分化的短 暂扩增细胞。
Figure 1． Proliferation and differentiation of SSCs
Figure 2． Schematic diagram showing the stages of spermatogonial cell differentiation
As ： Type Asingle ； Apr ： type Apaired ； Aal-4 ，Aal-8 ，Aal-16 ： type Aaligned ； A1-4 ： type A1 ，A2 ，A3 ，A4 ； In： type intermediate； B： type B． Arrows indicate the proposed flows of spermatogonial cells． The width of the open arrows reflects the relative probability of differentiation． As ，Apr ，Aal ： Genes of GFＲα1，Plzf，E-CAD and NGN3； A1-4 ： gene of Kit + ．
* 基金项目： 国家自然科学基金（ 21377052） ； 江苏省自然科学基金（ BK20131281）
Biblioteka Baidu
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中华男科学杂志 2013 年 11 月 第 19 卷 第 11 期 Natl J Androl，Vol． 19，No． 11，November 2013
精子发生起始于精原干细胞（ SSCs） 的增殖和 分化，是一个循环有序、持续进行的过程，从青春期 开始一直持续到死亡。SSCs 通过自我更新保证数 量的稳定； 通过对称分裂，1 个 SSC 可增殖形成 2 个 SSCs 或形成可向下分化的 2 个精原细胞； 通过不对 称分裂，1 个 SSC 可形成 1 个 SSC 和 1 个可向下分 化的精原细胞。通常情况下，SSCs 自我更新缓慢、 恒定； 当 有 化 学 或 辐 射 损 伤 时，SSCs 快 速 分 裂。 SSCs 增殖和分化的机制，是通过旁分泌和自分泌的 分子调控，见图 1。本文介绍 SSCs 的特点和潜能， 以及调节 SSCs 自我更新和增殖分化的分子信号通 路。
胞移植时可转变为具有自我更新能力的 SSCs。每 只成年小鼠睾丸内有35 000个 SSCs，位于生精小管 的最边缘位置。根据细胞形态的不同，小鼠精原细 胞分为 3 类： A 型、中间型、B 型。A 型中分化程度 较低的为单个 A 型精原细胞（ As） 、成对 A 型精原细 胞（ Apr） 和链状 A 型精原细胞（ Aal） 。以往的研究认 为，As为 SSCs，具有维持正常的生精过程、损伤和移 植后再生等功能［2］。最近的研究证实 As、Apr 、Aal 均 有 SSCs 潜能，因为这 3 种精原细胞均表达与干细胞 自我更新相关的基因［3］，如 GFＲα1 + 、Plzf、E-Cadherin、NGN3、EGＲ3、NOTCH1、SOX3、c-ＲET、Oct4 和 Stra8，这使得大多数未分化的精原细胞在一定的微 环境条件下都可以转变为 SSCs。这些未分化精原 细胞表面标志为 Thy-1 + 、c-Kit － 。As 精原细胞分裂 产生由胞质间桥相连的一对 Apr，Apr 经过有丝分裂 成为 Aal 。As 与人类的暗 A 型精原细胞（ Adark） 结 构相似，Apr、Aal 与人类的未分化的亮 A 型精原细胞 （ Apale） 结构相似。Aal 进一步分化为 A1 ～ A4 型、中 间型和 B 型精 原 细 胞，它 们 均 属 于 已 分 化 精 原 细 胞，其表面标志为 c-Kit + 、NGN3 －［3-4］。见图 2。
1． 2 SSCs 的鉴定、体外培养及其应用 SSCs 结 合冷冻保存、移植技术等，在治疗男性精子发生障碍 性不育等疾病中具有潜在价值。已有多篇文献报道 利用小鼠的 SSCs 在体外完成生精过程，能培育出精 子［5-6］，若此技术能运用于人类，则在辅助生殖技术
中华男科学杂志 2013 年 11 月 第 19 卷 第 11 期 Natl J Androl，Vol． 19，No． 11，November 2013
LI Dong-mei，QIN Xiao-dong Laboratory of Immunology and Ｒeproductive Biology，Nanjing University School of Medicine，Nanjing，Jiangsu 210093，China
【Abstract】Spermatogonial stem cells （ SSCs） play an important role in spermatogenesis and have a unique mode of replication． A single SSC can produce two differentiating cells，or one stem cell and one differentiating cell． The self-renewal and differentiation of SSCs are precisely regulated as relating the niche of SSCs，glial cell line-derived neurotrophic factor，and several signaling pathways． This article reviews the self-renewal and differentiation of SSCs and their regulation mechanisms，which may offer a deeper insight into spermatogenesis and male infertility and pave a theoretical ground for studying testicular tumorigenesis and searching for new potential approaches to the treatment of testicular cancer and other related diseases． Natl J Androl，2013，19 （ 11） ： 963 － 967
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Ｒeview Article
·专家谈·
精原干细胞自我更新与分化的调控
李冬梅，秦晓东
（ 南京大学医学院免疫与生殖生物学实验室，江苏 南京 210093）
李冬梅，女，临床医学学士，生理学博士，南京大学医学院基础医学副教授，硕士生导师。2011 年入选江苏省第八批 “六大人才高峰”高层次人才培养对象。主要研究方向为环境与雄性生殖健康，发表 SCI 收录论文及综述 20 余篇，参 编英文专著 1 部。承担并参与多项国家自然科学基金、教育部博士点基金和江苏省自然科学基金研究。Email： lidm @ nju． edu． cn
生障碍性不育、探讨睾丸肿瘤发生和寻找新的潜在治疗靶点等诸多方面有理论意义。
【关键词】精原干细胞； 自我更新； 分化 中图分类号： Ｒ698 + ． 2 文献标志码： A
文章编号： 1009-3591 （ 2013） 11-0963-05 *
Ｒegulation of the self-renewal and differentiation of spermatogonial stem cells
【Key words】spermatogonial stem cell； self-renewal； differentiation
Supported by grants from National Natural Science Foundation of China （ 21377052） and Natural Science Foundation of Jiangsu Province（ BK20131281） ． Correspondence to： LI Dong-mei，email： lidm@ nju． edu． cn Ｒeceived： June 6，2013； accepted： August 2，2013
【摘要】精原干细胞（ SSCs） 是精子发生过程的起源，有独特的复制方式： 一次分裂可形成两个分化细胞，也可形
成一个分化细胞和一 个 干 细 胞，这 种 自 我 更 新 和 分 化 受 到 严 密 的 调 控，包 括 微 环 境、胶 质 细 胞 源 性 神 经 营 养 因 子
（ GDNF） 、多种信号通路等。本文综述 SSCs 的自我更新与分化及其调节机制，对于深入了解精子发生及男性精子发
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方面会有一大突破。 获得大量高纯度的 SSCs 是应用 SSCs 的前提。
然而，SSCs 在睾丸组织中的数量相当少，在小鼠睾 丸细胞中大约仅有 0． 02% ～ 0． 03%［7］。因此，SSCs 的体外培养技术，包括分离和纯化是研究 SSCs 的基 础。SSCs 的体外培养最早在小鼠身上实现，目前已 能构建小鼠 SSCs 长期体外培养体系［8］。近几年来， 其他物种的 SSCs 的体外培养技术也逐渐发展，包括 鸡［9］、猪［10］、猫［11］等，甚 至 还 有 人 类［12］。 目 前 常 用 的分离 SSCs 的技术是两步酶消化法，先剥除白膜， 用胶原酶消化分离生精小管和间质细胞，再用胰酶EDTA 消化获得细胞悬液［11］。SSCs 纯化技术主要 有流式细胞分选和免疫磁珠细胞分选法，这两种技 术需要用到 SSCs 的鉴定标志物。目前，关于 SSCs 的标志物有很多报道，包括： 胶质细胞源性神经营养 因子 （ glial cell-line-derived neurotrophic factor，GDNF） 家族受体 α-1 （ GFＲα-1） 、α6β1 整合素、上皮细 胞粘附分子（ EpCAM） 、早幼粒细胞白血病锌指蛋白 （ Plzf； ZBTB16） 、胸腺细胞抗原-1（ Thy-1） 、E-钙粘蛋 白 1 型 （ CDH1 ） 、POU 域-类 5-转 录 因 子 1 （ POU5F1） 、Nanos2 和 Nanos3 等［13-17］。虽然标志物 很多，但仍没有专一的鉴定标志物，目前研究者使用 最多的标志物是 GFＲα-1［18］。此外，有报道称 Percoll 不连续密度梯度分选法 能 获 得 更 好 的 分 选 效 果［19］。
1 SSCs 的特点
1． 1 SSCs 的分类 SSCs 来源于分化程度较低的生 殖母细胞，生殖母细胞则起源于原始生殖细胞（ primordial germ cells，PGCs） ［1］。哺乳动物的精原细胞 是一类异源性细胞群，分为 2 个亚群： 未分化精原细 胞和已分化精原细胞。未分化精原细胞又分为两 类，一类是具有自我更新能力的真正的干细胞； 另一 类是潜在干细胞。正常情况下，潜在干细胞可快速 分化分裂形成已分化精原细胞，睾丸受损或精原细
SSC： Spermatogonial stem cell； TA cell： transit amplifying cell． SSCs reside at the base membrane of seminiferous tubules in the testis． By symmetric division，a single SSC can produce two SSCs or two differentiating cells，and by asymmetric division it can produce one SSC and one TA cell．
NJA 中华男科学杂志 National Journal of Andrology Zhonghua Nan Ke Xue Za Zhi 2013，19（ 11） ： 963 － 967
http： / / www． androl． cn
图 2 精原细胞分化示意图
As ： 单个 A 型精原细胞； Apr ： 成对 A 型精原细胞； Aal-4 、Aal-8 、Aal-16 ： 链状 A 型精原细胞； A1-4 ： A1 、A2 、A3 、A4 型精原细胞； In： 中间型精原 细胞； B： B 型精原细胞。箭头代表细胞分化方向，空箭头的宽度与分 化 的 比 例 相 关。 As 、 Apr 、Aal 型 为 GFＲα1 + 、Plzf + 、E-CAD + 、 NGN3 + ； A1-4 型为 Kit + 。
图 1 SSC 的增殖与分化
SSC： 精原干细胞； TA cells： 短暂扩增细胞。SSC 位于生精小管基底 膜，通过对称分裂，1 个 SSC 可增殖形成 2 个 SSCs 或 2 个精原细胞； 通过不对称分裂，1 个 SSC 可形成 1 个 SSC 和 1 个可向下分化的短 暂扩增细胞。
Figure 1． Proliferation and differentiation of SSCs
Figure 2． Schematic diagram showing the stages of spermatogonial cell differentiation
As ： Type Asingle ； Apr ： type Apaired ； Aal-4 ，Aal-8 ，Aal-16 ： type Aaligned ； A1-4 ： type A1 ，A2 ，A3 ，A4 ； In： type intermediate； B： type B． Arrows indicate the proposed flows of spermatogonial cells． The width of the open arrows reflects the relative probability of differentiation． As ，Apr ，Aal ： Genes of GFＲα1，Plzf，E-CAD and NGN3； A1-4 ： gene of Kit + ．
* 基金项目： 国家自然科学基金（ 21377052） ； 江苏省自然科学基金（ BK20131281）
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中华男科学杂志 2013 年 11 月 第 19 卷 第 11 期 Natl J Androl，Vol． 19，No． 11，November 2013
精子发生起始于精原干细胞（ SSCs） 的增殖和 分化，是一个循环有序、持续进行的过程，从青春期 开始一直持续到死亡。SSCs 通过自我更新保证数 量的稳定； 通过对称分裂，1 个 SSC 可增殖形成 2 个 SSCs 或形成可向下分化的 2 个精原细胞； 通过不对 称分裂，1 个 SSC 可形成 1 个 SSC 和 1 个可向下分 化的精原细胞。通常情况下，SSCs 自我更新缓慢、 恒定； 当 有 化 学 或 辐 射 损 伤 时，SSCs 快 速 分 裂。 SSCs 增殖和分化的机制，是通过旁分泌和自分泌的 分子调控，见图 1。本文介绍 SSCs 的特点和潜能， 以及调节 SSCs 自我更新和增殖分化的分子信号通 路。
胞移植时可转变为具有自我更新能力的 SSCs。每 只成年小鼠睾丸内有35 000个 SSCs，位于生精小管 的最边缘位置。根据细胞形态的不同，小鼠精原细 胞分为 3 类： A 型、中间型、B 型。A 型中分化程度 较低的为单个 A 型精原细胞（ As） 、成对 A 型精原细 胞（ Apr） 和链状 A 型精原细胞（ Aal） 。以往的研究认 为，As为 SSCs，具有维持正常的生精过程、损伤和移 植后再生等功能［2］。最近的研究证实 As、Apr 、Aal 均 有 SSCs 潜能，因为这 3 种精原细胞均表达与干细胞 自我更新相关的基因［3］，如 GFＲα1 + 、Plzf、E-Cadherin、NGN3、EGＲ3、NOTCH1、SOX3、c-ＲET、Oct4 和 Stra8，这使得大多数未分化的精原细胞在一定的微 环境条件下都可以转变为 SSCs。这些未分化精原 细胞表面标志为 Thy-1 + 、c-Kit － 。As 精原细胞分裂 产生由胞质间桥相连的一对 Apr，Apr 经过有丝分裂 成为 Aal 。As 与人类的暗 A 型精原细胞（ Adark） 结 构相似，Apr、Aal 与人类的未分化的亮 A 型精原细胞 （ Apale） 结构相似。Aal 进一步分化为 A1 ～ A4 型、中 间型和 B 型精 原 细 胞，它 们 均 属 于 已 分 化 精 原 细 胞，其表面标志为 c-Kit + 、NGN3 －［3-4］。见图 2。
1． 2 SSCs 的鉴定、体外培养及其应用 SSCs 结 合冷冻保存、移植技术等，在治疗男性精子发生障碍 性不育等疾病中具有潜在价值。已有多篇文献报道 利用小鼠的 SSCs 在体外完成生精过程，能培育出精 子［5-6］，若此技术能运用于人类，则在辅助生殖技术
中华男科学杂志 2013 年 11 月 第 19 卷 第 11 期 Natl J Androl，Vol． 19，No． 11，November 2013
LI Dong-mei，QIN Xiao-dong Laboratory of Immunology and Ｒeproductive Biology，Nanjing University School of Medicine，Nanjing，Jiangsu 210093，China
【Abstract】Spermatogonial stem cells （ SSCs） play an important role in spermatogenesis and have a unique mode of replication． A single SSC can produce two differentiating cells，or one stem cell and one differentiating cell． The self-renewal and differentiation of SSCs are precisely regulated as relating the niche of SSCs，glial cell line-derived neurotrophic factor，and several signaling pathways． This article reviews the self-renewal and differentiation of SSCs and their regulation mechanisms，which may offer a deeper insight into spermatogenesis and male infertility and pave a theoretical ground for studying testicular tumorigenesis and searching for new potential approaches to the treatment of testicular cancer and other related diseases． Natl J Androl，2013，19 （ 11） ： 963 － 967
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精原干细胞自我更新与分化的调控
李冬梅，秦晓东
（ 南京大学医学院免疫与生殖生物学实验室，江苏 南京 210093）
李冬梅，女，临床医学学士，生理学博士，南京大学医学院基础医学副教授，硕士生导师。2011 年入选江苏省第八批 “六大人才高峰”高层次人才培养对象。主要研究方向为环境与雄性生殖健康，发表 SCI 收录论文及综述 20 余篇，参 编英文专著 1 部。承担并参与多项国家自然科学基金、教育部博士点基金和江苏省自然科学基金研究。Email： lidm @ nju． edu． cn
生障碍性不育、探讨睾丸肿瘤发生和寻找新的潜在治疗靶点等诸多方面有理论意义。
【关键词】精原干细胞； 自我更新； 分化 中图分类号： Ｒ698 + ． 2 文献标志码： A
文章编号： 1009-3591 （ 2013） 11-0963-05 *
Ｒegulation of the self-renewal and differentiation of spermatogonial stem cells
【Key words】spermatogonial stem cell； self-renewal； differentiation
Supported by grants from National Natural Science Foundation of China （ 21377052） and Natural Science Foundation of Jiangsu Province（ BK20131281） ． Correspondence to： LI Dong-mei，email： lidm@ nju． edu． cn Ｒeceived： June 6，2013； accepted： August 2，2013
【摘要】精原干细胞（ SSCs） 是精子发生过程的起源，有独特的复制方式： 一次分裂可形成两个分化细胞，也可形
成一个分化细胞和一 个 干 细 胞，这 种 自 我 更 新 和 分 化 受 到 严 密 的 调 控，包 括 微 环 境、胶 质 细 胞 源 性 神 经 营 养 因 子
（ GDNF） 、多种信号通路等。本文综述 SSCs 的自我更新与分化及其调节机制，对于深入了解精子发生及男性精子发
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方面会有一大突破。 获得大量高纯度的 SSCs 是应用 SSCs 的前提。
然而，SSCs 在睾丸组织中的数量相当少，在小鼠睾 丸细胞中大约仅有 0． 02% ～ 0． 03%［7］。因此，SSCs 的体外培养技术，包括分离和纯化是研究 SSCs 的基 础。SSCs 的体外培养最早在小鼠身上实现，目前已 能构建小鼠 SSCs 长期体外培养体系［8］。近几年来， 其他物种的 SSCs 的体外培养技术也逐渐发展，包括 鸡［9］、猪［10］、猫［11］等，甚 至 还 有 人 类［12］。 目 前 常 用 的分离 SSCs 的技术是两步酶消化法，先剥除白膜， 用胶原酶消化分离生精小管和间质细胞，再用胰酶EDTA 消化获得细胞悬液［11］。SSCs 纯化技术主要 有流式细胞分选和免疫磁珠细胞分选法，这两种技 术需要用到 SSCs 的鉴定标志物。目前，关于 SSCs 的标志物有很多报道，包括： 胶质细胞源性神经营养 因子 （ glial cell-line-derived neurotrophic factor，GDNF） 家族受体 α-1 （ GFＲα-1） 、α6β1 整合素、上皮细 胞粘附分子（ EpCAM） 、早幼粒细胞白血病锌指蛋白 （ Plzf； ZBTB16） 、胸腺细胞抗原-1（ Thy-1） 、E-钙粘蛋 白 1 型 （ CDH1 ） 、POU 域-类 5-转 录 因 子 1 （ POU5F1） 、Nanos2 和 Nanos3 等［13-17］。虽然标志物 很多，但仍没有专一的鉴定标志物，目前研究者使用 最多的标志物是 GFＲα-1［18］。此外，有报道称 Percoll 不连续密度梯度分选法 能 获 得 更 好 的 分 选 效 果［19］。
1 SSCs 的特点
1． 1 SSCs 的分类 SSCs 来源于分化程度较低的生 殖母细胞，生殖母细胞则起源于原始生殖细胞（ primordial germ cells，PGCs） ［1］。哺乳动物的精原细胞 是一类异源性细胞群，分为 2 个亚群： 未分化精原细 胞和已分化精原细胞。未分化精原细胞又分为两 类，一类是具有自我更新能力的真正的干细胞； 另一 类是潜在干细胞。正常情况下，潜在干细胞可快速 分化分裂形成已分化精原细胞，睾丸受损或精原细
SSC： Spermatogonial stem cell； TA cell： transit amplifying cell． SSCs reside at the base membrane of seminiferous tubules in the testis． By symmetric division，a single SSC can produce two SSCs or two differentiating cells，and by asymmetric division it can produce one SSC and one TA cell．