自去年10月開(kāi)始，分子生物學(xué)家Katsuhiko Hayashi就陸陸續(xù)續(xù)收到了許多夫妻的郵件，這些夫妻大多人到中年，仍然在為了一件事情焦急：要一個(gè)孩子。其中有一位英國(guó)的更年期婦女，希望到他位于日本京都大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，在他的幫助下懷上孩子，她寫(xiě)道：“這是我*的愿望。”

這些請(qǐng)求開(kāi)始于Hayashi一篇文章的發(fā)表——他原以為只有發(fā)育生物學(xué)家才會(huì)對(duì)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果感興趣。在體外條件下，利用小鼠的皮膚細(xì)胞創(chuàng)造可以發(fā)育成精子和卵子的原始生殖細(xì)胞（PGCs）。為了證明這些實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的原始生殖細(xì)胞與自然發(fā)育而成的原始生殖細(xì)胞類似，他利用它們生成了卵子，進(jìn)而創(chuàng)造小鼠生命。他表示，這個(gè)創(chuàng)造出來(lái)的小鼠生命僅僅是他研究的一個(gè)“副產(chǎn)品”，他的研究將意味著更多——利用不孕婦女的皮膚細(xì)胞為她們提供可受精的卵細(xì)胞。與此同時(shí)他還提出，男性的皮膚細(xì)胞也可以用來(lái)創(chuàng)造卵子，同樣，女性的皮膚細(xì)胞也可以生成精子。（事實(shí)上，研究結(jié)果發(fā)表后，許多同性戀發(fā)郵件給Hayashi ，索要更多的信息。）

盡管這是一項(xiàng)創(chuàng)新研究，但是公眾的廣泛關(guān)注還是令Hayashi和他的教授Mitinori Saitou感到非常驚訝。他們花了十多年不斷挖掘哺乳動(dòng)物配子產(chǎn)生的微妙細(xì)節(jié)，然后在體外條件下重新創(chuàng)建該過(guò)程——一切都是為了科研，而非醫(yī)療。現(xiàn)在他們的方法使研究人員能夠創(chuàng)建無(wú)限的原始生殖細(xì)胞，這種在以前很難獲得的珍貴細(xì)胞的正常供應(yīng)有助于推動(dòng)哺乳動(dòng)物生殖研究。

但是，當(dāng)他們將這個(gè)科學(xué)挑戰(zhàn)自小鼠到猴子，再到人類推進(jìn)時(shí)，這一過(guò)程被公眾定義為治療不孕不育的過(guò)程，于是相關(guān)的道德?tīng)?zhēng)議隨之出現(xiàn)。“毫無(wú)疑問(wèn)，他們?cè)谛∈笊砩辖o這一領(lǐng)域帶來(lái)了重大的改變，” 洛杉磯加州大學(xué)的生育專家Amander Clark說(shuō)，“但是，在這項(xiàng)技術(shù)展示它的實(shí)用性之前，我們必須討論一下使用這種方式創(chuàng)造配子的倫理問(wèn)題。”

回到zui初

在小鼠體內(nèi)，胚胎發(fā)育一周后，便出現(xiàn)約40個(gè)左右的原始生殖細(xì)胞。這個(gè)小小的細(xì)胞團(tuán)進(jìn)而在雌性小鼠體內(nèi)形成成千上萬(wàn)的卵細(xì)胞，在雄性小鼠體內(nèi)每天都能生成幾百萬(wàn)個(gè)精細(xì)胞，并能夠遺傳小鼠的全套遺傳信息。Saitou想要了解在這些細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中受到了那些信號(hào)的控制。

在過(guò)去的十年中，Saitou已經(jīng)通過(guò)辛苦研究確定了幾個(gè)基因——包括Sla, Blimp1 和Prdm14 ——這些基因的某種組合在某些時(shí)候?qū)τ赑GCs的發(fā)育起到了至關(guān)重要的作用。利用這些基因作為標(biāo)記，可以從其他細(xì)胞中篩選原始生殖細(xì)胞以觀察這些細(xì)胞的變化。2009年，在日本神戶的RIKEN發(fā)育生物學(xué)中心，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)條件適當(dāng)時(shí)，在的時(shí)間加入骨形態(tài)發(fā)生蛋白4（BMP4），可以胚胎干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為原始生殖細(xì)胞的。為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，他向胚胎干細(xì)胞提供高濃度的BMP4，結(jié)果顯示，幾乎所有的胚胎干細(xì)胞都變成了PGCs。他和科學(xué)家們都預(yù)計(jì)這一過(guò)程非常復(fù)雜。

人造小鼠生殖細(xì)胞產(chǎn)生小鼠胚胎的過(guò)程（點(diǎn)擊圖片查看大圖）

Saitou的方法嚴(yán)格遵循了自然過(guò)程，這與其他從事類似研究的人形成了鮮明的對(duì)比，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的干細(xì)胞專家Jacob Hanna說(shuō)。許多科學(xué)家嘗試通過(guò)信號(hào)分子轟擊干細(xì)胞在體外創(chuàng)造特定類型的細(xì)胞，然后篩選細(xì)胞混合物得到他們想要的細(xì)胞。但是他們忽略了這些細(xì)胞的自然形成過(guò)程和這些人造細(xì)胞與自然形成細(xì)胞的相似程度。Saitou找出了形成生殖細(xì)胞所需的條件，去除多余的信號(hào)干擾并將每個(gè)過(guò)程的時(shí)間控制，給他的同事們留下了深刻的印象。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的干細(xì)胞生物學(xué)家Harry Moore將這種生殖細(xì)胞發(fā)育的重現(xiàn)視為一場(chǎng)“勝利”。

到了2009年， Saitou在小鼠生殖細(xì)胞出現(xiàn)之前從外胚層取了一些細(xì)胞，這成了研究的起點(diǎn)。但是想要真正掌握這個(gè)過(guò)程中，Saitou希望從細(xì)胞培養(yǎng)開(kāi)始。

當(dāng)時(shí)正值Hayashi從英國(guó)劍橋大學(xué)回到日本，和Saitou一樣，Hayashi在該領(lǐng)域Azim Surani英國(guó)的實(shí)驗(yàn)室里完成了4年的研究。Surani盛贊這兩位科學(xué)家說(shuō)，他們的“氣質(zhì)、風(fēng)格和解決問(wèn)題的方法能夠相互補(bǔ)充”。 Saitou “處理事情時(shí)很有系統(tǒng)性、完成目標(biāo)一心一意”，而Hayashi“工作時(shí)更有直覺(jué)、視角更廣闊、處理問(wèn)題方法相對(duì)更加寬松”，他說(shuō)。“他們確實(shí)形成了一個(gè)非常強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)。”

Hayashi加入了Saitou京都大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，他很快就發(fā)現(xiàn)，那里不同于劍橋。在京都大學(xué)，Hayashi用在理論討論上的時(shí)間比曾經(jīng)少得多，而更多的時(shí)間都花在實(shí)驗(yàn)上。他說(shuō)“在日本，我們只管‘做’，這有時(shí)是非常低效的，但有時(shí)又醞釀著巨大的成功”。

Hayashi同樣以外胚層細(xì)胞作為起點(diǎn)，但與Saitou不同的是，他試圖培養(yǎng)一個(gè)能夠產(chǎn)生原始生殖細(xì)胞的穩(wěn)定細(xì)胞系。可惜這種方法沒(méi)有奏效。Hayashi借鑒其他研究結(jié)果——一個(gè)關(guān)鍵調(diào)控分子（activin A）和生長(zhǎng)因子（bFGF）可以將培養(yǎng)的早期胚胎干細(xì)胞轉(zhuǎn)化成類似于外胚層細(xì)胞的細(xì)胞類型。這引發(fā)了Hayashi將這兩個(gè)因素結(jié)合起來(lái)的想法，誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞分化為外胚層，然后采用Saitou之前的方法把這些細(xì)胞成為的PGCs。通過(guò)這種新的方法，他zui終獲得了成功。

為了證明這些人造的原始生殖細(xì)胞是真實(shí)的拷貝，他們必須證明這些細(xì)胞可以進(jìn)一步發(fā)育成精子和卵子。這一進(jìn)程是非常復(fù)雜和難以理解的。所以研究小組將這一工作留給了自然——Hayashi將PGCs植入無(wú)法產(chǎn)生精子的小鼠的睪丸，觀察這些細(xì)胞是否會(huì)發(fā)育。Saitou認(rèn)為，這是可行的，但還是感到有些擔(dān)憂。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第3或4只小鼠時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)小鼠的輸精管里充滿了精子。“這一切都發(fā)生得恰如其分，我知道他們會(huì)產(chǎn)生幼仔，”Hayashi說(shuō)。研究小組將這些精子注入卵細(xì)胞中并植入雌性小鼠的胚胎，結(jié)果產(chǎn)生了大量的雌性和雄性后代。

他們利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS）進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，成熟的細(xì)胞被重新編程為胚胎狀態(tài)。此外，精子被用于生物試劑幼仔，證明它們具有基本功能——這是干細(xì)胞分化領(lǐng)域的罕見(jiàn)成就。Clark說(shuō)：“這是整個(gè)多能性干細(xì)胞研究領(lǐng)域里在培養(yǎng)皿中生成全功能細(xì)胞類型少有的成功案例之一。”

他們預(yù)計(jì)形成卵細(xì)胞更復(fù)雜，但是在去年，Hayashi在體外條件下制作有正常著色的原始生殖細(xì)胞并轉(zhuǎn)入白化小鼠的卵巢，將產(chǎn)生的卵細(xì)胞體外受精后植入代孕。當(dāng)透過(guò)幼崽半透明的眼瞼看到黑色的眼睛時(shí)，他知道這一切又成功了。

生殖細(xì)胞的回饋

目前，許多研究人員已經(jīng)能夠復(fù)制驗(yàn)室培養(yǎng)原始生殖細(xì)胞的過(guò)程。人造原始生殖細(xì)胞特定用于表觀遺傳學(xué)研究：通過(guò)修飾DNA確定哪些基因表達(dá)。zui常見(jiàn)的修飾就是為DNA堿基加上甲基，這些修飾在有些情況下，能夠反映生物所經(jīng)歷的歷史過(guò)程。與其它類型的細(xì)胞類似，表觀遺傳標(biāo)記改變了原始生殖細(xì)胞在胚胎發(fā)育過(guò)程中的命運(yùn)，但原始生殖細(xì)胞有個(gè)與眾不同的特點(diǎn)，就是當(dāng)它們發(fā)育成精子和卵子后，表觀遺傳標(biāo)記被擦除。這就允許細(xì)胞創(chuàng)建能夠形成任何類型細(xì)胞的受精卵。

表觀遺傳微妙變化中出現(xiàn)錯(cuò)誤將會(huì)導(dǎo)致不孕不育并出現(xiàn)器官故障，如如睪丸癌。Surani和Hanna的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用人造原始生殖細(xì)胞研究不同酶在表觀遺傳調(diào)控中的作用，也許有一天，能夠解答表觀遺傳網(wǎng)絡(luò)如何參與疾病調(diào)控。

事實(shí)上，體外產(chǎn)生的原始生殖細(xì)胞可以為研究提供數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，而不是供科學(xué)家研究了40個(gè)左右，這些細(xì)胞可以通過(guò)解剖早期胚胎獲得。Hanna說(shuō)：“這是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)槲覀冞@里有這些稀有的原始生殖細(xì)胞正在經(jīng)歷我們尚不了解的全基因組表觀遺傳變化。”“體外模型為科學(xué)家們提供了的方便，” Clark表示認(rèn)同。

研究意義

但是Hayashi和Saitou沒(méi)有辦法向乞求幫助的不孕夫妻提供幫助。在這種方法被運(yùn)用在研究之前，還有許多問(wèn)題需要梳理。

Saitou和Hayashi發(fā)現(xiàn)，雖然運(yùn)用他們的技術(shù)所產(chǎn)生的后代通常似乎是健康和大量的，但這些后代產(chǎn)生的原始生殖細(xì)胞并生不*“正常”。 第二代原始生殖細(xì)胞產(chǎn)生的卵細(xì)胞往往是脆弱、畸形的，并且從支持它們生長(zhǎng)的組織上脫離。當(dāng)受精時(shí)，卵細(xì)胞內(nèi)部會(huì)分為三組染色體，而不是正常的兩組，體外受精的成功率也只有正常原始生殖細(xì)胞的三分之一。哈佛醫(yī)學(xué)院從事表觀遺傳學(xué)研究的Yi Zhang，使用Saitou的方法在研究中發(fā)現(xiàn)，體外受精過(guò)程中，人造的原始生殖細(xì)胞不能像自然狀態(tài)下產(chǎn)生的原始生殖細(xì)胞一樣，抹去它們的表觀遺傳標(biāo)記。“我們必須要知道，這些都是PGCs的類似細(xì)胞，而不是真正的原始生殖細(xì)胞，”他說(shuō)。

此外，這項(xiàng)技術(shù)還存在兩個(gè)大的挑戰(zhàn)。首先是在不將PGCs放回睪丸或卵巢的前提下買(mǎi)入和使它們變成成熟的精子和卵子，Hayashi目前正在試圖破解PGCs生成卵子或精子的生物信號(hào)，使人工培育條件下完成這一階段成為可能。

但zui可怕的挑戰(zhàn)是在人體重復(fù)上述所有的工作。該小組已經(jīng)在利用Saitou找到的關(guān)鍵調(diào)控基因來(lái)調(diào)整人類的iPS細(xì)胞，但是Saitou 和Hayashi都知道，人類的信息調(diào)控網(wǎng)絡(luò)不同于小鼠。此外，Saitou有無(wú)數(shù)的小鼠胚胎進(jìn)行解剖，但無(wú)法在人類胚胎進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟。幸運(yùn)的是，他們得到了長(zhǎng)達(dá)5年共1.2億日元的資助，每周可以獲得20個(gè)猴子胚胎。Hayashi表示如果一切順利的話，他們可以在5-10年內(nèi)在猴子身上完成所有的工作。隨后經(jīng)過(guò)一些小的調(diào)整，這種方法就可以用來(lái)生物試劑人類原始生殖細(xì)胞。

但是利用原始生殖細(xì)胞治療人類不孕不育仍將是一個(gè)巨大的跳躍，許多科學(xué)家對(duì)此持有相當(dāng)謹(jǐn)慎的態(tài)度，這當(dāng)然包括Saitou在內(nèi)。iPS和胚胎干細(xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)染色體異常、基因突變等現(xiàn)象。“如果在整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)一點(diǎn)差錯(cuò)，都可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的、多代的不良后果。” Moore說(shuō)。

證明該技術(shù)在猴子實(shí)驗(yàn)中時(shí)安全的，將打消人們的顧慮。但又有新的問(wèn)題隨之而來(lái)，要有多少健康的猴子出生，才能證明這個(gè)方法是安全的？實(shí)驗(yàn)需要觀察多少個(gè)猴子世代？

zui終，還是需要人類胚胎進(jìn)行測(cè)試，而這一進(jìn)程勢(shì)必會(huì)受到胚胎研究倫理問(wèn)題的限制。近年來(lái)，新的非侵入性成像技術(shù)，將幫助醫(yī)生對(duì)胚胎質(zhì)量的好壞進(jìn)行排序。這種人造胚胎可以利用類似于正常的體外受精胚胎的植入方式進(jìn)入母體。這些有可能在胚胎研究態(tài)度較為寬泛的地區(qū)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)技術(shù)準(zhǔn)備完成，挑戰(zhàn)生殖的更大壯舉也是有可能實(shí)現(xiàn)的。舉例來(lái)說(shuō)，人的皮膚細(xì)胞理論上可以被用來(lái)創(chuàng)造與伴侶精子配對(duì)的卵細(xì)胞，然后植入子宮孕育。但是存在這樣的懷疑，有些事情似乎永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)——科學(xué)家協(xié)會(huì)的Hinxton團(tuán)隊(duì)認(rèn)為從男性XY細(xì)胞很難獲得卵細(xì)胞，同理，女性的XX細(xì)胞，也很難培養(yǎng)成為精子。

Saitou用雄性小鼠iPS細(xì)胞制造出了精子，利用雌性小鼠制造出了卵細(xì)胞，他曾表示反過(guò)來(lái)也是可能的。如果是這樣的話，同一只小鼠產(chǎn)生的卵細(xì)胞和精子受精，就會(huì)產(chǎn)生，以前從未見(jiàn)過(guò)的東西：自交小鼠。Hayashi和Saitou都不愿意嘗試這個(gè)。“如果有充分的科研理由，我們只會(huì)在小鼠身上這么做，”Saitou說(shuō)。但眼下，他還沒(méi)有看到這樣的理由。

這兩位科學(xué)家已經(jīng)感受到樣本和資金的壓力，這項(xiàng)技術(shù)可能是無(wú)法做試管嬰兒的婦女或者是無(wú)法產(chǎn)生精子或卵子的人的zui后希望。Hayashi表示真正可行的不孕不育治療方案可能要在10年甚至50年的未來(lái)方能實(shí)現(xiàn)。“在我看來(lái)，那是很遙遠(yuǎn)的事，我不想給人們不現(xiàn)實(shí)的希望，”他說(shuō)。

許多不孕不育患者只看到了zui終的結(jié)果——小鼠實(shí)驗(yàn)的成功——但卻忽略了多年艱苦細(xì)致的工作。Hayashi說(shuō)，他們沒(méi)有意識(shí)到，人類胚胎與小鼠差異非常之大，從小鼠到人類就意味著這一切幾乎是從零開(kāi)始。（轉(zhuǎn)自 生物探索）