Recentemente è emersa una potente tecnologia, nota come gametogenesi umana in vitro (IVG), che utilizza cellule staminali pluripotenti (PSC), come le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) di pazienti, per generare cellule germinali umane con la capacità di dare origine potenzialmente far maturare i gameti nella cultura, offrendo una via d'accesso al trattamento di tutte le forme di infertilità, indipendentemente dal genere.

Tuttavia, la ricerca sull’IVG umana è ancora agli inizi e l’obiettivo attuale è ricostituire l’intero processo della gametogenesi umana. Fino ad oggi, una delle sfide più importanti è stata quella di ricapitolare nella popolazione fondatrice delle cellule germinali, o cellule germinali primordiali umane (hPGC), un evento caratteristico noto come riprogrammazione epigenetica, in cui la “memoria” ereditaria delle cellule parentali, presente sulla sua Il DNA viene ripristinato/cancellato, operazione necessaria per la corretta differenziazione delle cellule germinali.

Ora, in uno studio pubblicato su Nature , i ricercatori dell'Istituto per lo studio avanzato della biologia umana (WPI-ASHBi) dell'Università di Kyoto, guidati dal dottor Mitinori Saitou, hanno identificato robuste condizioni di coltura necessarie per guidare la riprogrammazione epigenetica e la differenziazione delle cellule germinali in precursori di gameti maturi, il sistema mitotico pro-spermatogonia e pro-oogonia con capacità di amplificazione estesa, raggiungendo una nuova pietra miliare per la ricerca IVG umana.

Il lavoro precedente del team di Saitou e di altri gruppi è riuscito a generare le cosiddette cellule germinali umane primordiali simili (hPGCLC) da PSC in vitro, che ricapitolano diverse caratteristiche fondamentali di hPGC, inclusa la capacità di propagarsi. Tuttavia, questi hPGCLC non sono stati in grado di subire riprogrammazione e differenziazione epigenetica.

Sebbene tali limitazioni possano essere aggirate aggregando hPGCLC con cellule gonadiche embrionali (non germinali) di topo per imitare il microambiente del testicolo/ovaio, questo processo è altamente inefficiente (con circa solo 1/10 delle cellule che si differenziano). Inoltre, l’introduzione di cellule non umane non è né ideale né pratica dal punto di vista dell’applicazione clinica. Pertanto, al fine di raggiungere l'obiettivo finale della ricerca sull'IVG umana, è essenziale identificare le condizioni di coltura minime necessarie per generare gameti umani maturi.

Nel loro nuovo studio, Saitou e colleghi hanno condotto uno screening basato su colture cellulari per identificare potenziali molecole di segnalazione necessarie per guidare la riprogrammazione epigenetica e la differenziazione degli hPGCLC in pro-spermatogoni mitotici e oogoni. Sorprendentemente, gli autori hanno scoperto che la consolidata molecola di segnalazione dello sviluppo, la proteina morfogenetica dell'osso (BMP), ha svolto un ruolo cruciale in questo processo di riprogrammazione e differenziazione degli hPGCLC.

"In effetti, considerando che la segnalazione BMP ha già un ruolo stabilito nella specificazione delle cellule germinali, era altamente inaspettato che guidasse anche la riprogrammazione epigenetica di hPGCLC", afferma Saitou.

Questi pro-spermatogoni/oogoni mitotici derivati ​​da hPGCLC non solo hanno mostrato somiglianze nell'espressione genica e nei profili epigenetici con quelli dell'effettiva differenziazione hPGC nei nostri corpi, ma hanno anche subito un'ampia amplificazione (oltre 10 miliardi di volte).

"Il nostro approccio consente un'amplificazione quasi indefinita della pro-spermatogoni e degli oogoni mitotici in coltura e ora abbiamo anche la capacità di immagazzinare e riespandere queste cellule secondo necessità", afferma Saitou.

Gli autori rivelano anche i potenziali meccanismi con cui la segnalazione BMP potrebbe portare alla riprogrammazione epigenetica e alla differenziazione di hPGCLC.

"BMP (segnalazione) sembra attenuare la via di segnalazione MAPK/ERK (proteina chinasi attivata dal mitogeno/chinasi extracellulare regolata) e sia le attività de novo che quelle di mantenimento della DNMT (DNA metiltransferasi), ma saranno necessarie ulteriori indagini per determinare il meccanismo preciso e se questo sia diretto o indiretto," spiega Saitou.

"Il nostro studio rappresenta non solo un progresso fondamentale nella nostra comprensione della biologia umana e dei principi alla base della riprogrammazione epigenetica negli esseri umani, ma anche una vera pietra miliare nella ricerca sull'IVG umana", afferma Saitou.

Saitou afferma:"Sebbene rimangano molte sfide e il percorso sarà certamente lungo, soprattutto se si considerano le implicazioni etiche, legali e sociali associate all'applicazione clinica dell'IVG umana, tuttavia, ora abbiamo fatto un significativo passo avanti verso la potenziale traduzione dell'IVG nella medicina riproduttiva."