PRODUCT CLASSIFICATION
產(chǎn)品分類自去年10月開始,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:要一個孩子。其中有一位英國的更年期婦女,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,她寫道:“這是我*的愿望。”
這些請求開始于Hayashi一篇文章的發(fā)表——他原以為只有發(fā)育生物學(xué)家才會對他的實(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,這個創(chuàng)造出來的小鼠生命僅僅是他研究的一個“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。與此同時他還提出,男性的皮膚細(xì)胞也可以用來創(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)有助于推動哺乳動物生殖研究。
但是,當(dāng)他們將這個科學(xué)挑戰(zhàn)自小鼠到猴子,再到人類推進(jìn)時,這一過程被公眾定義為治療不孕不育的過程,于是相關(guān)的道德爭議隨之出現(xiàn)。“毫無疑問,他們在小鼠身上給這一領(lǐng)域帶來了重大的改變,” 洛杉磯加州大學(xué)的生育專家Amander Clark說,“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個左右的原始生殖細(xì)胞。這個小小的細(xì)胞團(tuán)進(jìn)而在雌性小鼠體內(nèi)形成成千上萬的卵細(xì)胞,在雄性小鼠體內(nèi)每天都能生成幾百萬個精細(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)育過程中受到了那些信號的控制。
在過去的十年中,Saitou已經(jīng)通過辛苦研究確定了幾個基因——包括Sla, Blimp1 和Prdm14 ——這些基因的某種組合在某些時候?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,在的時間加入骨形態(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)這一過程非常復(fù)雜。
人造小鼠生殖細(xì)胞產(chǎn)生小鼠胚胎的過程(點(diǎn)擊圖片查看大圖)
Saitou的方法嚴(yán)格遵循了自然過程,這與其他從事類似研究的人形成了鮮明的對比,以色列魏茨曼科學(xué)研究所的干細(xì)胞專家Jacob Hanna說。許多科學(xué)家嘗試通過信號分子轟擊干細(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,去除多余的信號干擾并將每個過程的時間控制,給他的同事們留下了深刻的印象。英國謝菲爾德大學(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“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過程中,Saitou希望從細(xì)胞培養(yǎng)開始。
當(dāng)時正值Hayashi從英國劍橋大學(xué)回到日本,和Saitou一樣,Hayashi在該領(lǐng)域Azim Surani英國的實(shí)驗(yàn)室里完成了4年的研究。Surani盛贊這兩位科學(xué)家說,他們的“氣質(zhì)、風(fēng)格和解決問題的方法能夠相互補(bǔ)充”。 Saitou “處理事情時很有系統(tǒng)性、完成目標(biāo)一心一意”,而Hayashi“工作時更有直覺、視角更廣闊、處理問題方法相對更加寬松”,他說。“他們確實(shí)形成了一個非常強(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間比曾經(jīng)少得多,而更多的時間都花在實(shí)驗(yàn)上。他說“在日本,我們只管‘做’,這有時是非常低效的,但有時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。可惜這種方法沒有奏效。Hayashi借鑒其他研究結(jié)果——一個關(guān)鍵調(diào)控分子(activin A)和生長因子(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將這兩個因素結(jié)合起來的想法,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植入無法產(chǎn)生精子的小鼠的睪丸,觀察這些細(xì)胞是否會發(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,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,我知道他們會產(chǎn)生幼仔,”Hayashi說。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)域的罕見成就。Clark說:“這是整個多能性干細(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)透過幼崽半透明的眼瞼看到黑色的眼睛時,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)胞的過程。人造原始生殖細(xì)胞特定用于表觀遺傳學(xué)研究:通過修飾DNA確定哪些基因表達(dá)。zui常見的修飾就是為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)育過程中的命運(yùn),但原始生殖細(xì)胞有個與眾不同的特點(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)錯誤將會導(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)百萬個細(xì)胞,而不是供科學(xué)家研究了40個左右,這些細(xì)胞可以通過解剖早期胚胎獲得。Hanna說:“這是一個大問題,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的組織上脫離。當(dāng)受精時,卵細(xì)胞內(nèi)部會分為三組染色體,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。
此外,這項(xiàng)技術(shù)還存在兩個大的挑戰(zhàn)。首先是在不將PGCs放回睪丸或卵巢的前提下買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,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有無數(shù)的小鼠胚胎進(jìn)行解剖,但無法在人類胚胎進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟。幸運(yùn)的是,他們得到了長達(dá)5年共1.2億日元的資助,每周可以獲得20個猴子胚胎。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)過一些小的調(diào)整,這種方法就可以用來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巨大的跳躍,許多科學(xué)家對此持有相當(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)過程中常常會出現(xiàn)染色體異常、基因突變等現(xiàn)象。“如果在整個過程中出現(xiàn)一點(diǎn)差錯,都可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的、多代的不良后果。” Moore說。
證明該技術(shù)在猴子實(shí)驗(yàn)中時安全的,將打消人們的顧慮。但又有新的問題隨之而來,要有多少健康的猴子出生,才能證明這個方法是安全的?實(shí)驗(yàn)需要觀察多少個猴子世代?
zui終,還是需要人類胚胎進(jìn)行測試,而這一進(jìn)程勢必會受到胚胎研究倫理問題的限制。近年來,新的非侵入性成像技術(shù),將幫助醫(yī)生對胚胎質(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。舉例來說,人的皮膚細(xì)胞理論上可以被用來創(chuàng)造與伴侶精子配對的卵細(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)無法實(shí)現(xiàn)——科學(xué)家協(xié)會的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,他曾表示反過來也是可能的。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,就會產(chǎn)生,以前從未見過的東西:自交小鼠。Hayashi和Saitou都不愿意嘗試這個。“如果有充分的科研理由,我們只會在小鼠身上這么做,”Saitou說。但眼下,他還沒有看到這樣的理由。
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)可能是無法做試管嬰兒的婦女或者是無法產(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年的未來方能實(shí)現(xiàn)。“在我看來,那是很遙遠(yuǎn)的事,我不想給人們不現(xiàn)實(shí)的希望,”他說。
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,他們沒有意識到,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始。(轉(zhuǎn)自 生物探索)
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