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奇迹:你可以和自己生孩子-用皮肤细胞“制造”受精卵(图)

[日期:2013-10-05]   来源:生物探索  作者:   阅读:383[字体: ]

你可以和自己生孩子

日本科学家用小鼠的皮肤细胞成功地培育出了能够产生后代的精子和卵细胞,这甚至意味着任何人都可以生孩子了。而如何安全而合乎道德地利用这种技术,也成了一个问题。

从去年10月开始,京都大学的分子生物学家林克彦(Katsuhiko Hayashi)开始陆续收到来自世界各地的电子邮件,大多数都是不育的中年夫妇。其中一名来自英国、已经绝经的女士,甚至要求前来拜访京都大学的实验室,希望能够怀孕。“这是我唯一的愿望”,她这样写道。

事情源于他发表在《科学》杂志上的一篇论文。林和他的同事们成功地用小鼠的皮肤细胞,在体外培育了原始生殖细胞(primordial germ cells,PG细胞),用于发育生物学相关的研究。为了证明人工培育的PG细胞和生物体自然形成的并无区别,他将其培育成了卵细胞,再经体外受精育成小鼠。林说,小鼠的出生只是个“副反应”。

然而“副反应”却也意味深长:利用不育妇女的皮肤细胞“制造”受精卵,或许将就此成为现实。同时,由于男性的体细胞能够制造卵细胞,女性的细胞也能制造精子,同性恋产子也不再是虚妄之谈——事实上,林克彦收到的邮件中,就有来自同性恋杂志编辑的垂询。

突如其来的公众反应让林克彦和他的上级教授齐藤通纪(Mitinori Saitou)措手不及。事实上,他们已经花了十多年的时间,研究哺乳动物生殖细胞的产生过程,并尝试在体外进行人工模拟。

意外的惊喜

“干细胞”这个词,你也许并不陌生。它们是未经分化的细胞,具有形成多种组织器官的潜在功能,然而,如何通过人工的方法让它们变成生殖细胞,却一直是个难题。不同于一般体细胞,每个生殖细胞内只含有一套染色体。这也意味着,生殖细胞是通过减数分裂形成的,而不是通常的有丝分裂。

在小鼠体内,生殖细胞在胚胎发育的一周之后开始出现,最初的PG细胞大约有40个。正是这个微小的细胞团,而后一步步形成了母鼠体内成千上万的卵细胞,以及公鼠体内每天产生的以百万计的精子。齐藤通纪想要弄清楚,究竟是何种信号分子在指引并控制着这个过程。

过去数十年中,他发现了几种基因—包括Stella、Blimp1和Prdm14—它们的特定组合,以及特定的表达时间,在PG细胞的发育中起到了关键的作用。利用这些基因作为标记,他得以挑选出PG细胞,并且研究它们身上的变化。

2009年,齐藤在神户的理化学研究所(RIKEN Center for Developmental Biology)的实验室发现,当培养条件适宜的时候,只要在培养液中加入骨形态发生蛋白-4(Bmp4),并精确地控制加入时间,就能将小鼠胚胎细胞转化为PG细胞。Bmp4浓度足够时,转化率几乎达到了100%。这个结果来得如此顺利,以至于他自己也不敢相信。

齐藤这种谨慎观察的实验风格,和同领域的其他科学家不太一样。通常的研究方法,是用多种信号分子,不分青红皂白地去“轰击”干细胞,然后根据需要挑选出合适的分化类型。如此,虽然能够得到目标细胞,却没有人知道它们形成的确切机理,以及与非人造的有什么区别。齐藤所做的工作,就是排除多余的东西,弄清楚原始生殖细胞到底是哪种信号分子的作用,同时找到合适的作用时间。

直到2009年,齐藤的实验起点还是从小鼠胚胎提取的外胚层细胞,也就是胚胎发育第一周末期,出现在胚胎一端的杯状细胞团,恰好在PG细胞出现之前。为了对这个过程有个更清晰的了解,齐藤想培养一个能稳定产生PG细胞的细胞系。

用干细胞培养生殖细胞

这个计划交给了当年刚刚从剑桥大学回到日本的林克彦。巧的是,林在剑桥的博士后训练,和齐藤在同一个实验室完成。他们共同的导师苏拉尼(Azim Surani)对二位评价都很高,说他们俩“无论是性格,还是解决问题的风格和方式,都非常互补”。齐藤是“系统化的,对于设定及完成目标非常笃定”,而林“更依赖直觉,看问题的角度也更为广阔”。“他们两个组建的团队非常有力,”苏拉尼说。

林加入齐藤在京都大学的小组之后,很快就发现了这里跟剑桥的不同。在这里,人们很少对实验计划做理论上的考量,几乎是想到什么点子,就立刻着手做实验。“有时候这很没效率,但也有可能带来巨大的成功。”

林直接培养PG细胞的尝试没有成功,幸而他很快转变了方向。他在查阅文献中发现,在一种关键调节分子和生长因子的作用下,胚胎干细胞能够在体外转化为外胚层细胞的同源细胞。胚胎干细胞已经能够在体外大量培养,这启发了林:可以从胚胎干细胞出发,先分化为外胚层细胞,再用齐藤的方法培育为PG细胞。

这次他成功了。为了表明这些PG细胞的有效性,林得证实,它们确实能够分化为可育的精子或卵细胞。这一过程的原理非常复杂而未知,林决定让动物体来完成这件事情,于是他将PG细胞注入了不育公鼠的睾丸。齐藤认为他们大概有一半的胜算,终于在第三或者第四只公鼠身上,精液产生了。他们提取精液注射入卵细胞中,再把受精卵植入代孕母鼠体内。第一批“人造”小鼠随后诞生,有雌鼠和雄鼠,健康且可育。

他们继而用诱导性多功能干细胞(iPS细胞)重复了这个实验。iPS细胞由京都大学的山中伸弥2006年首先研制成功,是成熟细胞逆分化为类胚胎细胞的状态,山中也因此获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖。实验进行得很顺利,这意味着,以iPS细胞为中间体,成熟的体细胞也能最终转变为PG细胞。

2011年,齐藤小组先用小鼠iPS细胞制成了可育的精子。卵细胞的制造要复杂一些,去年,林用正常小鼠的体细胞培育了一些PG细胞,先在体外和白化小鼠的卵巢体细胞一同培养,再植入其卵巢中发育成熟。这些宝贵的卵细胞经过体外受精诞下了幼鼠,当林看到它们的黑眼珠滴溜溜地在半透明的眼皮下转动时,他知道自己又一次成功了。

这在干细胞分化领域是鲜有的成就:科学家们常常争论的一个问题就是,他们用干细胞造出的各种细胞,到底能不能真正起作用。加州大学洛杉矶分校的生殖学专家克拉克(Amander Clark)说,“这是多功能干细胞研究中,仅有的几个分化出具有明确功能细胞的案例之一。”

巨大的科研价值

除了京都大学的研究组之外,也有其他研究人员在尝试人工制造PG细胞,但他们并不是用于培育小鼠。人工PG细胞对实验胚胎学的科研具有重要的意义:研究DNA的甲基化。

作为表观遗传的重要证据,DNA甲基化在很多时候能告诉你,这个生命体究竟经历过什么,比如在子宫中的化学物质暴露,甚至童年的饥荒或者心理阴影。与经典的孟德尔遗传法则不同,表观遗传是指在不改变DNA序列的前提下,由某些机制引起的可遗传的基因表达,或者细胞表现型的变化。

表观遗传的标记在胚胎发育过程中,能够指导细胞朝不同方向发展,然而PG细胞却很特殊,当它们发育为精子和卵细胞的时候,甲基化的标记被抹掉了。正是由于这一点,PG细胞才能够在日后形成全能的受精卵。

表观遗传中的微小差错,都有可能造成不育,或者诸如睾丸癌之类的功能紊乱。苏拉尼的研究小组,已经在利用人工PG细胞,研究几种酶在表观遗传调控中的作用,希望能破解表观遗传与此类疾病的相互作用。

有一点是确定的:人工培育的PG细胞为科研工作者们提供了充足的实验资源,这是前所未有的。最起码,他们不必再解剖胚胎获得那40个宝贵的PG细胞了。

遥遥无期的临床应用

尽管PG细胞发育成的小鼠看上去是健康可育的,但PG细胞本身看上去却不完全正常,第二代的PG细胞常常会产生易碎、变形或者异位的卵细胞。受精之后,有的卵细胞会形成含有三套染色体的受精卵,而通常情况下哺乳动物都应该是二倍体。另外,人工PG细胞的体外受精成功率只有通常情况的1/3。哈佛大学医学院教授张毅也发现,人工PG细胞不能够抹去表观遗传的标记。

在通往临床应用的道路上,首当其冲的技术问题在于,如何在体外制造成熟的精子和卵细胞,而不用把人工PG细胞植入睾丸和卵巢内。林正在试图解码这个过程中起作用的信号分子,一旦成功,就能够利用它们去诱导PG细胞的体外分化。

更为困难的挑战是如何将小鼠实验应用于人类。京都大学的研究小组已经开始用对付小鼠细胞的方法来处理人体iPS细胞,但林和齐藤都明白,人类的信号分子系统和小鼠是完全不同的。并且,用于实验的小鼠胚胎细胞相对容易获取,人类胚胎细胞却不能通过解剖的办法获得。

他们因此退而求其次,从猴子入手。不久前获批的1200万美元研究经费中,就有一大部分用于每周20个猴子胚胎的供应。林说,如果一切顺利的话,他们能够在5-10年内在猴子身上重复小鼠实验,之后经过一些调整,有望应用于人类。

然而,利用PG细胞进行不育治疗仍然是个很大胆的做法,包括齐藤在内的很多科学家,都呼吁人们谨慎。iPS细胞和胚胎干细胞都很容易在培养过程中,发生染色体异常、基因突变和表观遗传紊乱,微小的错误逐渐累积,可能会在几代之后才表现出异常。

若能证明这项技术对猴子是安全的,则有可能打消人们的顾虑。但是,究竟要生出多少健康的猴子,才能证明其安全性,又应该观察多少世代呢?

理想的前景大概是这样:一种新的、非破坏性的影像技术能够让医生准确地挑出好的胚胎,那些看上去正常的,才能被植入人体,发育成胎儿。研究经费也许会来自私人资金,或者对胚胎研究限制更少的国家。

一些更加不可思议的繁殖方式都可能由此出现。比如,理论上来说,男性的皮肤细胞也能够用来制造卵细胞,从而与精子结合,然后在代孕妈妈体内发育成胎儿。有些人怀疑其可能性——辛克斯顿团(theHinxton Group),一个讨论干细胞伦理的国际科学家的协会就表示,从男性的XY体细胞中产生卵细胞,以及从女性的XX体细胞中产生精子,都是不可能的。

齐藤制造的精子来自雄鼠,卵细胞来自雌鼠,但是他认为反过来也没有问题。PG细胞没有性别之分,分化为精子还是卵细胞,由培养环境决定。如果是这样的话,同一只小鼠产生的精子和卵细胞也能产生受精卵,产生自体繁殖的小鼠。这是从未有过的生物,但林和齐藤都不打算尝试,“只有存在一个好的科研理由时,我们才有可能考虑。”目前,他们还没有看到这方面的必要。

林和齐藤都已经感受到了来自不育患者和日本财团的压力。这种技术,对于体外受精无效的不育妇女,以及因患病而无法产生精子或卵细胞的人,也许是最后一线希望。林无奈地警告了给他写信的人们,可行的不育治疗手段在10年甚至50年之后才能成熟。“我觉得这是很遥远的事,我不想给人们无谓的念想。”


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