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行業新聞

你可以和自己生孩子

時間:2018-03-07 09:50:02 來源:本站 點擊:22次

  日本科學家用小鼠的皮膚細胞成功地培育出了能夠產生后代的精子和卵細胞,這甚至意味著任何人都可以生孩子了。而如何安全而合乎道德地利用這種技術,也成了一個問題?! 娜ツ?0月開始,京都大學的分子生物學家林克彥(KatsuhikoHayashi)開始陸續收到來自世界各地的電子郵件,大多數都是不育的中年夫婦。其中一名來自英國、已經絕經的女士,甚至要求前來拜訪京都大學的實驗室,希望能夠懷孕?!斑@是我唯一的愿

  日本科學家用小鼠的皮膚細胞成功地培育出了能夠產生后代的精子和卵細胞,這甚至意味著任何人都可以生孩子了。而如何安全而合乎道德地利用這種技術,也成了一個問題。

  從去年10月開始,京都大學的分子生物學家林克彥(Katsuhiko Hayashi)開始陸續收到來自世界各地的電子郵件,大多數都是不育的中年夫婦。其中一名來自英國、已經絕經的女士,甚至要求前來拜訪京都大學的實驗室,希望能夠懷孕?!斑@是我唯一的愿望”,她這樣寫道。

  事情源于他發表在《科學》雜志上的一篇論文。林和他的同事們成功地用小鼠的皮膚細胞,在體外培育了原始生殖細胞(primordial germ cells,PG細胞),用于發育生物學相關的研究。為了證明人工培育的PG細胞和生物體自然形成的并無區別,他將其培育成了卵細胞,再經體外受精育成小鼠。林說,小鼠的出生只是個“副反應”。

  然而“副反應”卻也意味深長:利用不育婦女的皮膚細胞“制造”受精卵,或許將就此成為現實。同時,由于男性的體細胞能夠制造卵細胞,女性的細胞也能制造精子,同性戀產子也不再是虛妄之談——事實上,林克彥收到的郵件中,就有來自同性戀雜志編輯的垂詢。

  突如其來的公眾反應讓林克彥和他的上級教授齊藤通紀(Mitinori Saitou)措手不及。事實上,他們已經花了十多年的時間,研究哺乳動物生殖細胞的產生過程,并嘗試在體外進行人工模擬。

  意外的驚喜

  “干細胞”這個詞,你也許并不陌生。它們是未經分化的細胞,具有形成多種組織器官的潛在功能,然而,如何通過人工的方法讓它們變成生殖細胞,卻一直是個難題。不同于一般體細胞,每個生殖細胞內只含有一套染色體。這也意味著,生殖細胞是通過減數分裂形成的,而不是通常的有絲分裂。

  在小鼠體內,生殖細胞在胚胎發育的一周之后開始出現,最初的PG細胞大約有40個。正是這個微小的細胞團,而后一步步形成了母鼠體內成千上萬的卵細胞,以及公鼠體內每天產生的以百萬計的精子。齊藤通紀想要弄清楚,究竟是何種信號分子在指引并控制著這個過程。

  過去數十年中,他發現了幾種基因—包括Stella、Blimp1和Prdm14—它們的特定組合,以及特定的表達時間,在PG細胞的發育中起到了關鍵的作用。利用這些基因作為標記,他得以挑選出PG細胞,并且研究它們身上的變化。

  2009年,齊藤在神戶的理化學研究所(RIKEN Center for Developmental Biology)的實驗室發現,當培養條件適宜的時候,只要在培養液中加入骨形態發生蛋白-4(Bmp4),并精確地控制加入時間,就能將小鼠胚胎細胞轉化為PG細胞。Bmp4濃度足夠時,轉化率幾乎達到了100%。這個結果來得如此順利,以至于他自己也不敢相信。

  齊藤這種謹慎觀察的實驗風格,和同領域的其他科學家不太一樣。通常的研究方法,是用多種信號分子,不分青紅皂白地去“轟擊”干細胞,然后根據需要挑選出合適的分化類型。如此,雖然能夠得到目標細胞,卻沒有人知道它們形成的確切機理,以及與非人造的有什么區別。齊藤所做的工作,就是排除多余的東西,弄清楚原始生殖細胞到底是哪種信號分子的作用,同時找到合適的作用時間。

  直到2009年,齊藤的實驗起點還是從小鼠胚胎提取的外胚層細胞,也就是胚胎發育第一周末期,出現在胚胎一端的杯狀細胞團,恰好在PG細胞出現之前。為了對這個過程有個更清晰的了解,齊藤想培養一個能穩定產生PG細胞的細胞系。

  用干細胞培養生殖細胞

  這個計劃交給了當年剛剛從劍橋大學回到日本的林克彥。巧的是,林在劍橋的博士后訓練,和齊藤在同一個實驗室完成。他們共同的導師蘇拉尼(Azim Surani)對二位評價都很高,說他們倆“無論是性格,還是解決問題的風格和方式,都非?;パa”。齊藤是“系統化的,對于設定及完成目標非常篤定”,而林“更依賴直覺,看問題的角度也更為廣闊”?!八麄儍蓚€組建的團隊非常有力,”蘇拉尼說。

  林加入齊藤在京都大學的小組之后,很快就發現了這里跟劍橋的不同。在這里,人們很少對實驗計劃做理論上的考量,幾乎是想到什么點子,就立刻著手做實驗?!坝袝r候這很沒效率,但也有可能帶來巨大的成功?!?/p>

  林直接培養PG細胞的嘗試沒有成功,幸而他很快轉變了方向。他在查閱文獻中發現,在一種關鍵調節分子和生長因子的作用下,胚胎干細胞能夠在體外轉化為外胚層細胞的同源細胞。胚胎干細胞已經能夠在體外大量培養,這啟發了林:可以從胚胎干細胞出發,先分化為外胚層細胞,再用齊藤的方法培育為PG細胞。

  這次他成功了。為了表明這些PG細胞的有效性,林得證實,它們確實能夠分化為可育的精子或卵細胞。這一過程的原理非常復雜而未知,林決定讓動物體來完成這件事情,于是他將PG細胞注入了不育公鼠的睪丸。齊藤認為他們大概有一半的勝算,終于在第三或者第四只公鼠身上,精液產生了。他們提取精液注射入卵細胞中,再把受精卵植入代孕母鼠體內。第一批“人造”小鼠隨后誕生,有雌鼠和雄鼠,健康且可育。

  他們繼而用誘導性多功能干細胞(iPS細胞)重復了這個實驗。iPS細胞由京都大學的山中伸彌2006年首先研制成功,是成熟細胞逆分化為類胚胎細胞的狀態,山中也因此獲得了2012年諾貝爾生理學或醫學獎。實驗進行得很順利,這意味著,以iPS細胞為中間體,成熟的體細胞也能最終轉變為PG細胞。

  2011年,齊藤小組先用小鼠iPS細胞制成了可育的精子。卵細胞的制造要復雜一些,去年,林用正常小鼠的體細胞培育了一些PG細胞,先在體外和白化小鼠的卵巢體細胞一同培養,再植入其卵巢中發育成熟。這些寶貴的卵細胞經過體外受精誕下了幼鼠,當林看到它們的黑眼珠滴溜溜地在半透明的眼皮下轉動時,他知道自己又一次成功了。

  這在干細胞分化領域是鮮有的成就:科學家們常常爭論的一個問題就是,他們用干細胞造出的各種細胞,到底能不能真正起作用。加州大學洛杉磯分校的生殖學專家克拉克(Amander Clark)說,“這是多功能干細胞研究中,僅有的幾個分化出具有明確功能細胞的案例之一?!?/p>

  巨大的科研價值

  除了京都大學的研究組之外,也有其他研究人員在嘗試人工制造PG細胞,但他們并不是用于培育小鼠。人工PG細胞對實驗胚胎學的科研具有重要的意義:研究DNA的甲基化。

  作為表觀遺傳的重要證據,DNA甲基化在很多時候能告訴你,這個生命體究竟經歷過什么,比如在子宮中的化學物質暴露,甚至童年的饑荒或者心理陰影。與經典的孟德爾遺傳法則不同,表觀遺傳是指在不改變DNA序列的前提下,由某些機制引起的可遺傳的基因表達,或者細胞表現型的變化。

  表觀遺傳的標記在胚胎發育過程中,能夠指導細胞朝不同方向發展,然而PG細胞卻很特殊,當它們發育為精子和卵細胞的時候,甲基化的標記被抹掉了。正是由于這一點,PG細胞才能夠在日后形成全能的受精卵。

  表觀遺傳中的微小差錯,都有可能造成不育,或者諸如睪丸癌之類的功能紊亂。蘇拉尼的研究小組,已經在利用人工PG細胞,研究幾種酶在表觀遺傳調控中的作用,希望能破解表觀遺傳與此類疾病的相互作用。

  有一點是確定的:人工培育的PG細胞為科研工作者們提供了充足的實驗資源,這是前所未有的。最起碼,他們不必再解剖胚胎獲得那40個寶貴的PG細胞了。

  遙遙無期的臨床應用

  盡管PG細胞發育成的小鼠看上去是健康可育的,但PG細胞本身看上去卻不完全正常,第二代的PG細胞常常會產生易碎、變形或者異位的卵細胞。受精之后,有的卵細胞會形成含有三套染色體的受精卵,而通常情況下哺乳動物都應該是二倍體。另外,人工PG細胞的體外受精成功率只有通常情況的1/3。哈佛大學醫學院教授張毅也發現,人工PG細胞不能夠抹去表觀遺傳的標記。

  在通往臨床應用的道路上,首當其沖的技術問題在于,如何在體外制造成熟的精子和卵細胞,而不用把人工PG細胞植入睪丸和卵巢內。林正在試圖解碼這個過程中起作用的信號分子,一旦成功,就能夠利用它們去誘導PG細胞的體外分化。

  更為困難的挑戰是如何將小鼠實驗應用于人類。京都大學的研究小組已經開始用對付小鼠細胞的方法來處理人體iPS細胞,但林和齊藤都明白,人類的信號分子系統和小鼠是完全不同的。并且,用于實驗的小鼠胚胎細胞相對容易獲取,人類胚胎細胞卻不能通過解剖的辦法獲得。

  他們因此退而求其次,從猴子入手。不久前獲批的1200萬美元研究經費中,就有一大部分用于每周20個猴子胚胎的供應。林說,如果一切順利的話,他們能夠在5-10年內在猴子身上重復小鼠實驗,之后經過一些調整,有望應用于人類。

  然而,利用PG細胞進行不育治療仍然是個很大膽的做法,包括齊藤在內的很多科學家,都呼吁人們謹慎。iPS細胞和胚胎干細胞都很容易在培養過程中,發生染色體異常、基因突變和表觀遺傳紊亂,微小的錯誤逐漸累積,可能會在幾代之后才表現出異常。

  若能證明這項技術對猴子是安全的,則有可能打消人們的顧慮。但是,究竟要生出多少健康的猴子,才能證明其安全性,又應該觀察多少世代呢?

  理想的前景大概是這樣:一種新的、非破壞性的影像技術能夠讓醫生準確地挑出好的胚胎,那些看上去正常的,才能被植入人體,發育成胎兒。研究經費也許會來自私人資金,或者對胚胎研究限制更少的國家。

  一些更加不可思議的繁殖方式都可能由此出現。比如,理論上來說,男性的皮膚細胞也能夠用來制造卵細胞,從而與精子結合,然后在代孕媽媽體內發育成胎兒。有些人懷疑其可能性——辛克斯頓團(the Hinxton Group),一個討論干細胞倫理的國際科學家的協會就表示,從男性的XY體細胞中產生卵細胞,以及從女性的XX體細胞中產生精子,都是不可能的。

  齊藤制造的精子來自雄鼠,卵細胞來自雌鼠,但是他認為反過來也沒有問題。PG細胞沒有性別之分,分化為精子還是卵細胞,由培養環境決定。如果是這樣的話,同一只小鼠產生的精子和卵細胞也能產生受精卵,產生自體繁殖的小鼠。這是從未有過的生物,但林和齊藤都不打算嘗試,“只有存在一個好的科研理由時,我們才有可能考慮?!蹦壳?,他們還沒有看到這方面的必要。

  林和齊藤都已經感受到了來自不育患者和日本財團的壓力。這種技術,對于體外受精無效的不育婦女,以及因患病而無法產生精子或卵細胞的人,也許是最后一線希望。林無奈地警告了給他寫信的人們,可行的不育治療手段在10年甚至50年之后才能成熟?!拔矣X得這是很遙遠的事,我不想給人們無謂的念想?!?/p>


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