干細胞技術開創未來輔助生殖新局面

　　日本研究人員使用頂尖技術在實驗室中制造出了卵子和精子。而現在，科學家不得不決定如何安全且合乎道德地使用這些細胞。

　　從去年10月開始，分子生物學家Katsuhiko Hayashi已經收到了不少電子郵件，其中大多數是中年夫妻，他們都為一件事感到絕望：生育孩子。一位處于更年期的英國女人提出到Hayashi位于京都大學的實驗室來，希望他可以在這件事上幫助她。“這是我唯一的愿望。”她寫道。

　　這些請求始于Hayashi發表的一項研究結果。通過對小鼠的皮膚細胞進行體外實驗，Hayashi培養出了原始生殖細胞(PGCs)，為了驗證這些細胞與自然生長的PGCs是否真的相同，他又用其創造出卵子乃至活鼠。這一結果提高了通過不孕女性的皮膚細胞產生受精卵的可能性;它同時還表明，男人的皮膚細胞也可以用來產生卵子，女人的皮膚細胞也能制造出精子。

　　公眾對該實驗的關注出乎Hayashi和資深教授Mitinori Saitou的意料。他們已經在哺乳動物配子生產和對其進行體外重建的領域研究了十多年，但這些都是為了科學研究，而不是治療。當他們將這項研究從小鼠推進到猴子甚至人類時，他們正在給未來的不孕不育治療做鋪墊。而科學家和公眾則要開始面對隨之而來的倫理問題了。

　　“不言而喻，他們真的在小鼠中改變了這一領域。”美國加州大學洛杉磯分校生育專家Amander Clark說，“現在，為了避免該技術在證明其用處之前遭到破壞，我們不得不開始討論這種配子方式的倫理問題。”

　　小鼠實驗

　　在小鼠的生長過程中，胚胎發育第一周后就會出現生殖細胞(約40個PGCs)，進而雄鼠和雌鼠會分別形成大量的精子和卵子。Saitou希望了解這些細胞的成長過程是由哪些信號指導的。

　　在過去的10年中，他發現一些基因在特定時間的特定組合對PGCs生長有重要作用。使用這些基因作為標記，他能夠從其他細胞中挑選出PGCs進行研究。 2009年，在神戶市理化研究所，他發現在適宜的培養條件下，在適當時間添加骨形成蛋白4(Bmp4)可以將胚胎干細胞轉化為PGCs。

　　以色列雷霍沃特市魏茨曼科學研究所的干細胞專家Jacob Hanna稱，Saitou一絲不茍遵循自然過程的方法與其他人的研究形成鮮明對比。Saitou試圖精確發現生殖細胞形成的要素，去除多余的信號并注意各種分子起作用的時間的做法，令人印象深刻。英國謝菲爾德大學的干細胞生物學專家Harry Moore將這種對生殖細胞生長過程的認真重建稱為“一場勝利”。

　　Saitou的研究起點是從活鼠外胚層提取的細胞，但為了真正控制實驗過程，他希望使用現成的培養細胞。2009年，Hayashi離開劍橋大學回到日本后加入了Saitou的研究，他通過借鑒其他研究，使用關鍵的調節分子(活化素A)和堿性成纖維細胞生長因子來引導胚胎干細胞分化為外胚層，然后將其應用于Saitou之前的研究，促使其成為PGCs，這一過程獲得了成功。

　　Hayashi將這些人工培養的PGCs注入自身無法產生精子的小鼠體內，使其成功形成了精子。研究團隊再將這些精子注入卵子中，并將胚胎置于雌鼠體內，從而得到了本不能生育的小鼠的后代。

　　人工PGCs大有可為

　　其他研究人員已經可以復制該過程以獲得實驗室培養的PGCs，不過據《自然》雜志稱，尚未有研究團隊利用此方法培養出活的動物。人工PGCs對研究表觀遺傳學的科學家有特殊作用：對決定基因表達的DNA進行生物化學修改。這些修改——多數是向DNA堿基添加甲基——在一些情況下，會攜帶著有機體的歷史記錄(例如，曾在子宮接觸到的外界化學物質等)。

　　表觀遺傳標記在胚胎發育期間像對其他細胞一樣對PGCs進行作用，不過PGCs很獨特，因為當生長成為精子和卵子后，其表觀遺傳標記便會消失，從而產生一個能形成所有細胞類型的受精卵。

　　微妙的表觀遺傳變化中的錯誤會導致不育，并產生睪丸癌等疾病。Hanna的團隊已經開始利用人工PGCs研究表觀遺傳調控中個別酶的作用，并且在將來可能會發現表觀遺傳網絡與疾病的相關性。

　　Hanna表示，的確，體外形成的PGCs為科學家的研究提供了數以百萬計的細胞，使研究不再局限于通過解剖早期胚胎才能得到的少量細胞。“這很重要，因為我們擁有了這些經歷著重大的全基因組表觀遺傳變化的罕見細胞——PGCs，我們對該過程了解得并不多。”Hanna說。Clark同意Hanna的看法：“體外模式為科學家提供了前所未有的研究可行性。”

　　臨床相關性

　　然而，Hayashi和Saitou并不能向那些不能生育的夫妻提供什么幫助。在研究結果可以應用于臨床之前，還有大量問題需要解決。

　　Saitou和Hayashi發現，盡管通過他們的技術產生的后代通常看起來健康且可生育，但是這些后代所產生的PGCs卻并不完全“正常”。第二代的PGCs經常會產生脆弱、畸形的卵子。在受精后，這些卵子經常會分裂成為有3組染色體的細胞，而正常的會分裂成兩組。

　　另外，人工PGCs產生后代的成功率只有正常體外受精的1/3。哈佛大學醫學院研究表觀遺傳學的Yi Zhang使用了Saitou的方法，發現體外形成的PGCs并不能像自然生成的PGCs那樣消除其之前的表觀遺傳編程。他說：“我們必須意識到這些像 PGCs的細胞并不是PGCs。”

　　將PGCs用于不孕不育治療將是一個巨大的飛躍，包括Saitou在內的很多科學家都敦促須謹慎進行該研究。該技術可安全用于猴子的事實有助于緩解這些憂慮，但是在確定該方法是否安全之前需要有多少只猴子安全出生呢?需要得到多少代呢?最終，人類胚胎將需要被制造并測試，而這一過程會因對用于研究的胚胎制造的限制而變得緩慢。

　　Saitou利用雄鼠的誘導多能干細胞(iPS)生成精子，并使用雌鼠的iPS產生了卵子，他表示，逆轉實驗應該是有可能的。如此一來，就可以從同一只小鼠獲得卵子和精子，并用于繁殖，產生一種從未出現過的東西：自我繁殖的小鼠。Hayashi和Saitou都還沒有準備好嘗試這一研究。“如果有科學需要，我會做實驗，但只在小鼠身上。”Saitou說。

　　兩位科學家已經感受到了病人和日本資助機構要求其繼續實驗的壓力。該技術應該是不能進行體外受精的女性，以及在童年時患癌癥而不能產生精子或卵子的病人的最后希望。Hayashi提醒那些寫信給他的人，可行的不孕治療可能在未來10年甚至是50年才會出現。“我的印象是它很遙遠，我不想給人們那些不切實際的希望。”他說。

　　病人會看到小鼠實驗的成功結果，但是經常會忽略這些尖端技術背后多年的艱苦工作。Hayshi表示，他們并沒有意識到從小鼠轉向人的實驗意味著幾乎要重新開始。因為人類早期胚胎與小鼠的完全不同。