与睾丸不同，卵巢并不能终身产生配子：雌性哺乳动物在出生时其一生所能提供的卵母细胞数量就是一定的，随着年龄的增长其剩余量减少，直至绝经。这一生物学障碍使得对卵母细胞发育以及雌性不育机制的研究变得更加复杂。据最近一期《科学》杂志报道，Hayashi 等已经成功将胚胎干（embryonic stem，ES）细胞诱导为成熟卵母细胞，当其受精后，能够产生正常的可育后代。这一团队还报道了将ES细胞诱导为有功能的精子的研究。这些发现首次为从培养的干细胞产生雄性和雌性配子提供了有效可行的方法。
多能性意味着干细胞能够产生体内所有类型的细胞，包括卵母细胞和精子。多能细胞通常存在于植入子宫壁之前和之后不久的早期胚胎。通过体外培养囊胚能够获得这种ES细胞。此外，通过给已分化细胞引入多种转录因子能够获得诱导多能干（induced pluripotent stem，iPS) 细胞。虽然iPS和ES来源不同，但它们在分子和功能层面高度相似。
由于iPS和ES细胞的可塑性，并且能够轻易地从小鼠和人类获取，研究人员将工作重点放在了如何将这些细胞转化为相关治疗产品。事实上，科学家已经能够从培养的多能干细胞诱导出神经细胞、心肌细胞和消化道细胞。然而，从ES细胞诱导出有功能活性的生殖细胞还是极其困难的。这并不奇怪，因为生殖细胞的成熟是一个极其复杂的过程。
在一项试验中，Hayashi及其同事诱导ES和iPS细胞发育成了卵母细胞。他们发明了监控胚胎发育过程的多步骤措施。首先，研究人员识别了一系列生长因子，这些因子能够有效地诱导ES发育为外胚层样细胞。然后外胚层样细胞暴露于能够在体内诱导生殖细胞产生的生长因子下，从而成功地在体外诱导了原始生殖细胞（primordial germ cells，PGCs)。
为了重置下一代生殖细胞的基因组，PGCs必须丢弃那些能够控制基因活性的化学修饰。这些表观遗传学标记包括印记基因（在性系细胞中打上印记的基因，表明该基因是父源的还是母源的，并对胎儿生长发挥关键作用）的DNA甲基化。正在发育的卵母细胞和精子中，这些标记会以母系或父系的模式被重新建立。
这些印迹被清除后，PGCs需要经过多次减数分裂最终产生有功能活性的配子。像其他任何胚胎细胞和成体细胞一样，PGCs携带了母系和父系染色体的所有信息。然而，在减数分裂时，这种双亲的二倍体基因组减半变为单倍体。
为了促使PGCs进行基因组重排并进入减数分裂，Hayashi等在体外培养了人工卵巢。他们将卵巢内包围卵母细胞的支持细胞（颗粒细胞和卵泡膜细胞）与源自ES细胞的PGCs聚集在一起，值得注意的是，这些细胞团中的PGC样细胞经历了与正常发育过程所见一样的印记消除。
然而，更大的挑战是将PGC样细胞转变为能够发生减数分裂的卵母细胞。Hayashi等人通过将卵巢样细胞团植入到免疫缺陷小鼠卵巢囊下方的特定位点而实现了这一壮举。移植物内的PGCs样细胞随后就发展为早期卵母细胞。
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在最后一步，研究人员重新分离了这些卵母细胞，使它们在体外成熟，并对其进行体外受精。一些受精卵由于基因组的异常而停止发育，而其他则发育成健康的幼崽，并且长成成熟个体，最终将自己的基因组遗传给下一代。在补充试验中，Hayashi及其同事发现，来源于胎儿皮肤细胞的iPS细胞也能够通过相似的方法产生功能性卵母细胞。
这一研究及作者先前的研究证明，多能干细胞能够以一种递进的方式转变为功能性配子。尽管这是一项重大进步，然而，前面还有很多障碍需要克服。例如，需要找到能够避免产生基因异常卵母细胞的方法。此外，研究者需要确定来源于人的ES和iPS细胞是否能够在培养条件下分化为卵母细胞和精子。与小鼠ES细胞相比，人类ES和iPS细胞更加高级，它们有点类似于移植后外胚层的状态并且易于分化。由于这些不同，人类ES细胞或许更容易诱导分化为生殖细胞。
体外培养胚胎卵巢组织并将该组织移植到受体动物体内这一过程是否能够被省略，而直接用体外的方法替代？实现这一目标将会在某些医疗情况下发挥重大作用，如化疗后卵母细胞发育的恢复。或许可以通过体外ES或iPS分化或皮肤和血细胞转分化（转分化指的是一种成熟的细胞类型通过激活一些调节基因而发生转化）获得卵巢支持细胞。这些培养体系的发展对我们理解雄性和雌性支持细胞诱导生殖细胞成熟和减数分裂的复杂事件是非常关键的。
另一个困惑是在这项研究中产生后代的卵母细胞是否真的等同于那些从卵巢中直接获取的卵母细胞。虽然新出生的幼崽看上去是健康的，但诸如行为缺陷和肿瘤形成（或许由于印迹的不完全去除或者印迹重建）这样的异常现象或许只有在生命后期才能发现。因此，有必要对这些小鼠进行后期的详细监测。
尽管如此，这一发现在基础研究中仍具有里程牌式的意义。例如，这一结果或许能够帮助研究者去识别能够消除基因印迹的酶活性以及其他PGCs发育中的标记物。
这些发现还具有实践意义。那些因受伤、疾病或年龄而不能产生卵母细胞的妇女有可能在将来某一天通过体外培养自己的iPS从而得到卵母细胞，并且能够在体外受精后怀孕。然而，将这些卵母细胞移植到妇女体内可能会有很大的安全和伦理道德问题。因此，在这些发现应用于人体前仍需要一系列详细的讨论。尽管如此，来源于iPS的配子或许能为我们研究表观遗传或者环境因素导致的不育提供有价值的培养模型。这一技术或许也能通过冷冻的血液或皮肤样本产生的iPS进而产生卵母细胞和精子细胞，从而用于拯救濒临灭绝或已经灭绝的物种。
（作者：贺利军、白蕊）
参考文献：《Nature》2012;491:535-536