Spermatogenesis is initiated from spermatogonial stem cells (SSCs) that has an ability of self-renewal and unipotency to generate differentiating germ cells. The objective of this study is to develop the simple method for derivation of SSCs using non-sorting of both spermatogonia and feeder cells. Simply uncapsulated mouse testes were treated with enzymes followed by surgical mincing, and single cells were cultured in stempro-34TM cell culture media at 37℃. After 5 days of culture, aciniform of SSC colony was observed, and showed a strong alkaline phosphatase activity. Molecular characterization of mouse SSCs showed that most of the mouse SSC markers such as integrin α6 and β1, CD9 and Stra8. In addition, pluripotency embryonic stem cell (ESC) marker Oct4 were expressed, however Sox2 expression was lowered. Interestingly, expression of SSC markers such as Vasa, Dazl and PLZF were stronger than mouse ESC (mESC). This data suggest that generated mouse SSCs (mSSCs) in this study has at least similar biomarkers expression to mESC and mSSCs derived from other study. Immunocytochemistry using whole mSSC colony also confirmed that mSSCs generated from this study expressed SSC specific biomarkers such as c-kit, Thy1, Vasa and Dazl. In conclusion, mSSCs from 5 days old mouse testes were successfully established without sorting of spermatogonia, and this cells expressed both mESC and SSC specific biomarkers. This simple derivation method for mSSCs may facilitate the study of spermatogenesis.

Early growth response 1(Egr1)은 zinc finger transcription factor로 다양한 성장인자, 물리적 자극에 따른 세포분화, 생장 및 사멸조절에 관여한다. Egr1 KO 생쥐 정소에서 maturation arrest, Sertoli cell only 등의 비정상 세정관이 증가한다. Glial Cell Derived Neurotrophic Factor(GDNF) 는 정원줄기세포(spermatogonial stem cell)의 자가재생 및 분화를 조절한다. 본 연구에서는 정원줄기세포에서 GDNF 수용체 하위 전사조절네트웍 규명의 일환으로 생쥐 정원줄기세포에서 Egr1 발현 특성을 분석하였다. 출생 0~56일 사이의 생쥐 정소에서 Egr1 발현을 면역조직화학적으로 분석하였다. 생후 6일 생쥐 정소의 세포들을 분산시킨 후 THY1 항체를 이용한 MACS법으로 정원줄기세포를 분리하여 GDNF (100 ng/ml)을 처리하였다. GDNF(100 ng/ml)을 처리 후 0, 2, 12시간에 Egr1, Egr2, Egr3, Egr4, GDNF 수용체인 RET와 GFRA1, 자가재생에 관련된 Etv5, Bcl6b mRNA 발현과 Egr1 단백질 발현량을 분석하였다. 한편 MAPK inhibitor(U0126, 10 μM) 처리 후 GDNF를 각각 2, 12시간 처리하여 mRNA 발현을 분석하였다. 그리고 Egr1 knock out mouse 정원줄기세포에서 GDNF를 12시간 처리하여 mRNA 발현을 분석하였다. 면역조직화학적 분석결과 Egr1은 gonocytes, spermatogonia, peritubular cells, Leydig cell에서 발현하였으나 분화된 세포에서는 발현이 저조하였다. 정원줄기세포에 GDNF 처리 후 2시간에 Egr1 mRNA가 유도되는 반면 Egr2, Egr3 mRNA는 12시간에 유도되었고, Egr4 mRNA는 변화하지 않았다. GDNF 수용체인 RET과 GFRA1 mRNA는 GDNF 처리군에서 증가하였다. Self-renewal에 관련된 Etv5와 Bcl6b mRNA는 12시간에 유도되었다. Egr1 단백질은 2시간에서 GDNF에 의해 증가하였다. U0126과 GDNF를 동시에 처리한 경우 2시간에 Egr1 mRNA가 유도되지 않았으며, 12시간에 Etv5와 Bcl6b mRNA발현도 변화가 없었다. Egr1 knock out mouse 정원줄기세포에 GDNF처리 시 Etv5, Egr2, Egr4 mRNA는 증가하는 반면 Bcl6b, Egr3 mRNA는 감소하였다. Egr1은 미성숙정소에서 gonocyte, spermatogonial stem cell, peritubular cell, Leydig cell에서 주로 발현된다. GDNF는 정원줄기세포에서 MAPK pathway에 의존적으로 Egr1을 유도하며, Egr1은 GDNF 수용체 및 자가재생 유전자발현을 통해 정원줄기세포의 stemness 유지에 중요한 기능을 담당하는 상위 전사인자로 사료된다. 또한 Egr1이 결손되어지면 세포자가재생에 관련된 Bcl6b의 전사가 억제되는 것으로 보아 세포생존, 증식에 중요한 역할을 할 것으로 사료된다.

포유동물 생식세포를 생산하는 정자형성과정은 정원줄기세포 (spermatogonial stem cells, SSCs)가 일생 동안 정소 내 기저부에 존재하면서 계속적인 증식을 통해 그 수를 유지하고, 그 중 일부가 감수분열에 진입하여 남성생식세포인 정자를 생산하는 일련의 과정이다. 신생 및 성체의 정원줄기세포는 의학과 접목하여 불임 및 저출산 치료에 크게 기여할 것으로 사료되어, 이미 많은 연구자에 의하여 활발히 연구가 진행되고 있다. 그러나 이중 성체 정소 유래의 정원줄기세포는 신생 정소에 비하여 체세포당 비율이 매우 낮아 이를 분리하여 배양하기 위해서는 효율 높은 정원줄기세포의 분리 방법의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구는 인간에 적용하기에 가장 적합하다고 생각되는 조직이식 방법을 통하여 성체 생쥐의 정원줄기세포를 과밀화하고, 이렇게 얻어진 세포를 체외에서 배양하고자 하였다. 6～8주령의 정상적인 정자형성과정이 일어나고 있는 성체 생쥐 (BDF1)의 정소를 분리하였고, 정소 내 존재하는 분화된 생식세포를 줄여주기 위하여 면역이 결핍된 누드마우스의 등쪽에 이식하였다. 이때 생착효율을 알아보기 위하여 실험군은 3개 (whole testis under dorsal skin, slice testis under dorsal skin and whole testis in the abdominal cavity)의 그룹으로 나누어 이식하였다. 이식 2～4주 후 이식한 정소 조직을 채취하여 일부는 기존의 방법 (정소 조직의 이식방법을 사용하지 않은 대조군)과 비교해서 조직이식을 시행 후 세정관내 존재하는 정원줄기세포의 비율을 조직화학적 방법으로 비교 분석하였다. 나머지 조직은 개개의 세포로 분리하여 정원줄기세포의 증식 및 유지에 필요한 성장인자 (GDNF, bFGF, LIF, EGF, IGF-1)를 첨가한 후 배양하였으며, 7～10일마다 계대배양하였다. 배양된 세포는 RT-PCR, AP staining, TUNEL staining, Immunocytochemistry 및 FACS analysis를 통하여 정원줄기세포 특징을 분석하였다. 이식 2주 후 3그룹 내 정원줄기세포가 포함되어 있는 비율은 각각 93% (13/14), 92% (12/13), 57% (4/7)로 나타났으며, 이식된 조직의 seminiferous tubules내에는 분화된 생식세포가 사라지거나 퇴화된 것을 확인하였다. TUNEL assays를 통하여 Whole과 Sliced testis 그룹에서는 7.3±3.3%과 8.3±3.9% 만이 세포사가 진행되는 세포를 관찰한대 반하여 Abdominal cavity에 이식한 군에서는 70.9±16.2%로 매우 높은 세포사율을 관찰하였다. 체외배양 기간 동안 정원줄기세포의 colonization 효율은 이식하지 않은 대조군에 비하여 높게 관찰하였다. 조직 이식 후 배양한 성체 유래 정원줄기세포는 위 성장인자가 포함된 배양액에서 2.5달 (8계대) 동안 성공적으로 유지 배양되었다. 배양된 세포는 정원줄기세포의 특징인 AP activity를 강하게 나타냈으며, 표지인자인 Thy-1와 GFRα-1 또한 강하게 발현되는 것을 FACS와 Immunocytochemistry를 통하여 확인하였다. 또한 RT-PCR를 통하여 정원줄기세포 표지유전자 마커인 integrin β1, mvh, ngn3 mRNA는 강하게 발현되는데 비하여 생식세포 분화유전자 마커인 piwil2, stra8, c-kit, TH2B and TP-1 mRNA는 발현되지 않거나 약하게 발현되었다. 조직이식을 통하여 성체 내 존재하는 극소수의 성체 정원줄기세포의 분리 및 배양이 가능함을 확인하였다. 이러한 생쥐 모델 시스템을 인간에게 적용할 경우 autologous한 조직이식을 통해 단순화된 방법으로 정원줄기세포 분리 및 배양이 가능할 것으로 사료된다.

단분화성 정원줄기세포의 장기간 체외배양 중에 확립되는 다분화능 정원줄기세포는 배아줄기세포와 유사한 특성을 가져 3배엽성 세포로 체외분화가 가능하며 기형종을 형성할 수 있다. 본 연구에서는 선행 연구를 통해 outbred 생쥐(ICR strain)로부터 확립된 다분화능 정원줄기세포의 형질전환 가능성을 확인하며, 배아 내로 주입하여 유전적 키메라를 형성하는 효율을 배아줄기세포와의 비교를 통하여 검증하고자 하였다. 다분화능 정원줄기세포를 넣은 배아로부터 태어