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。
“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。
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。
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。
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。
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(the Hinxton 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。
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