Les cellules germinales primordiales (PGC) sont les premiers précurseurs de toutes les cellules germinales. Les PGC humaines émergent de l’épiblaste postérieur - probablement des cellules précurseurs amniotiques non engagées - au début de la post-implantation, gazaturant les embryons à 2-3 semaines de gestation 1,2,3,4,5,6,7. Pour la spécification des PGC humaines et de souris, les voies de signalisation activées par les protéines morphogénétiques osseuses (BMP) et WNT3 jouent un rôle essentiel 3,6. Alors que l’induction de trois facteurs de transcription, BLIMP1, PRDM14 et TFAP2C, est nécessaire pour la spécification des PGC de souris, dans la spécification des PGC humaines, le rôle de PRDM14 est diminué. SOX17, qui est dispensable pour la spécification PGC de souris mais indispensable pour la spécification PGC humaine, est induit par la signalisation BMP d’une manière dépendant exclusivement de l’EOMES ou de l’EOMES et de TBXT 7,8,9. Les PGCs humains migrent de l’épiblaste postérieur vers l’anlagen gonadique dans les crêtes génitales à travers le mésentère dorsal à 5-6 semaines de gestation 10,11,12,13,14,15,16. La migration humaine des PGC peut être provoquée par la chimiotaxie, bien qu’elle attende une confirmation expérimentale. Les profils transcriptomiques des PGC humaines migratrices ne sont pas identiques à ceux des PGC de souris au même stade17,18. Par exemple, les PGC humaines expriment DAZL avant même leur installation dans l’anlagen gonadique, tandis que les PGC de souris n’expriment DAZL qu’après leur installation gonadique9. Lors de l’initiation de la différenciation spécifique au sexe des cellules somatiques gonadiques, les PGC subissent également une différenciation en prospermatogonie (également connue sous le nom de gonocytes) ou en oogogone.
Étant donné que l’accès aux PGC embryonnaires humains est extrêmement difficile en raison de barrières techniques et éthiques, l’utilisation des cellules de type PGC (PGCLC) dérivées de cellules souches pluripotentes devient de plus en plus populaire3. Les PGCLC de souris ressemblent à l’étape post-migration des PGC, caractérisée par une déméthylation avancée de l’ADN génomique global (ADNg), et elles sont capables de générer des spermatozoïdes et des ovocytes compétents pour la fécondation 19,20,21. En revanche, les PGCLC humaines ressemblent aux stades précoces des PGC embryonnaires avec une déméthylation globale limitéede l’ADNg 7,22,23,24. Les preuves s’accumulent que les PGCLC humaines, malgré leur statut relativement immature, sont capables de se différencier in vitro en stades plus avancés de cellules germinales ressemblant à l’oogonie25,26 ou à la prospermatogonie27.
Depuis qu’Irie et al. ont publié la première génération de PGCLC à partir de cellules souches pluripotentes humaines en 20157, un certain nombre de laboratoires ont publié divers protocoles pour la production de PGCLC humains. Les protocoles précoces et standard impliquent la formation d’agrégats de cellules pluripotentes, souvent appelés corps embryoïdes 7,22,24,26,28,29. Les PGCLC humaines peuvent être produites à l’aide de divers protocoles basés sur des agrégats qui partagent des profils transcriptomiques comparables, qui expriment tous fortement des gènes marqueurs clés de PGC tels que PRDM1, SOX17, TFAP2C, POU5F1 et NANOS3, tandis que l’expression du marqueur de pluripotence SOX2 ou du marqueur PGC DDX4 à un stade avancé est généralement supprimée24. Des tentatives réussies ont également été signalées pour produire des PGCLC humains à partir de cultures de cellules monocouches pour une évolutivité et une commodité améliorées30. Bien que le rendement des PGCLCs soit relativement faible, la production réussie de PGCLCs humains à partir de modèles in vitro d’embryons au stade de la gastrulation dérivés de cellules souches pluripotentes contribue de manière significative à l’élucidation des mécanismes de spécification de la lignée germinale et de développement précoce des PGC 31,32,33,34,35,36.
Bien que le rendement et la qualité des PGCLC humains produits à l’aide de diverses méthodes de culture cellulaire se soient améliorés, la difficulté technique de l’expansion de la culture cellulaire des PGCLC humains constitue un obstacle important à leur application pour des expériences nécessitant de grandes quantités de populations cellulaires homogènes, telles que le criblage chimique ou génétique, ainsi que la production de cellules germinales à des stades avancés.. Gell et al. ont signalé le maintien de PGCLCs humains jusqu’à 21 jours sur des mangeoires STO dans un milieu à base de FR10 contenant du facteur de cellules souches (SCF) et 2,5 % de sérum de veau fœtal (FCS) ; cependant, les PGCLC avaient tendance à diverger de l’identité de type PGC vers d’autres types de cellules qui peuvent ne pas être pertinentes pour le développement des cellules germinales37. Murase et al. ont éliminé à plusieurs reprises ces cellules indésirables de la culture par FACS à chaque passage et ont montré que les PGCLC humaines sont capables de maintenir leur potentiel de prolifération à long terme in vitro38. Plus tard, Murase et al. ont rapporté une amplification réussie des PGCLC humaines dans un milieu contenant 2,5 % de FCS39, mais leur méthode nécessite les cellules de la couche nourricière m220-5, qui sont des sous-clones résistants à la MMC émergés spontanément des cellules embryonnaires de souris m220 qui expriment la forme liée à la membrane du SCF de souris à partir d’un vecteur exogène40. À ce jour, les cellules m220-5 n’ont pas encore été déposées dans un dépôt accessible au public. Ainsi, il reste un défi majeur d’étendre la culture humaine de PGCLC in vitro à un grand nombre de cellules homogènes, en conservant leurs caractéristiques de type PGC dans une condition simple qui ne nécessite pas de ressource de cellules nourricières non standard et qui est exempte de réactifs d’origine animale, dont l’efficacité peut varier d’un lot à l’autre.
Pour surmonter l’obstacle technique ci-dessus, une méthode qui permet l’expansion in vitro à long terme des PGCLC humains en tant que population cellulaire homogène, en maintenant les caractéristiques de type PGC dans une condition exempte de cellules sériques ou de couches nourricières, a été mise au point41. Parce que les PGCLC humaines expriment la télomérase, ces cellules s’amplifient à un rythme constant sans aucun signe de sénescence ou de déviation par rapport à d’autres types de cellules pendant au moins 150 jours. Les PGCLC de culture à long terme (LTC-PGCLC) conservent leurs caractéristiques transcriptomiques humaines de type PGC, bien que leur ADNg global soit modestement déméthylé lors de passages répétés. Les LTC-PGCLS sont facilement convertis en cellules germinales embryonnaires pluripotentes (EGCLC), restaurant le transcriptome de type iPSC et le méthylome de l’ADNg, bien que la restriction allélique imprimée de l’expression de l’ARN H19 soit perdue. Les LTC-PGCLC sont également capables de se différencier en cellules exprimant DAZL ressemblant à la prospermatogonie dans la culture d’organoïdes xénobiotiques xrTestis27. Ainsi, le modèle humain LTC-PGCLC représente un nouveau type de ressource de culture cellulaire maintenue de manière stable et pertinente pour la pluripotence qui conserve en permanence les caractéristiques biologiques des PGCLC et est facilement élargie in vitro en tant que lignée cellulaire stable.
Cet article décrit la méthode d’adaptation d’une population pure de PGCLC humaines fraîchement isolée et enrichie en FACS à une culture d’entretien à long terme sans sérum grâce à un soutien temporel par les cellules standard de la couche nourricière STO, puis dans un état exempt de nutrition sur de l’extrait de membrane basale (BME). Cette méthode soutient l’expansion in vitro de PGCLC humains produits à l’aide du protocole dépendant du corps embryoïde, tel que décrit précédemment24, 41, 42 ou rapporté par Sasaki et al22, et la méthode de culture monocouche rapportée par Overeem et al30. Lorsqu’il est appliqué à des PGCLC humaines préparées comme décrit41, une population initiale de 10 000 cellules peut être étendue à près de 1 x 109 cellules en 1,5 à 2 mois avec une population de 4 à 4,5 jours doublant le temps41. L’applicabilité de cette méthode aux PGCLC humains produits par d’autres méthodes est également attendue.