作者:张冬冬 来源:中国科学报 发布时间:2013-8-28 8:47:02
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人造卵子:“成长”进行时
干细胞技术开创未来辅助生殖新局面

日本研究人员使用顶尖技术在实验室中制造出了卵子和精子。而现在,科学家不得不决定如何安全且合乎道德地使用这些细胞。图片来源:VIKTOR KOEN
 
从去年10月开始,分子生物学家Katsuhiko Hayashi已经收到了不少电子邮件,其中大多数是中年夫妻,他们都为一件事感到绝望:生育孩子。一位处于更年期的英国女人提出到Hayashi位于京都大学的实验室来,希望他可以在这件事上帮助她。“这是我唯一的愿望。”她写道。
 
这些请求始于Hayashi发表的一项研究结果。通过对小鼠的皮肤细胞进行体外实验,Hayashi培养出了原始生殖细胞(PGCs),为了验证这些细胞与自然生长的PGCs是否真的相同,他又用其创造出卵子乃至活鼠。这一结果提高了通过不孕女性的皮肤细胞产生受精卵的可能性;它同时还表明,男人的皮肤细胞也可以用来产生卵子,女人的皮肤细胞也能制造出精子。
 
公众对该实验的关注出乎Hayashi和资深教授Mitinori Saitou的意料。他们已经在哺乳动物配子生产和对其进行体外重建的领域研究了十多年,但这些都是为了科学研究,而不是治疗。当他们将这项研究从小鼠推进到猴子甚至人类时,他们正在给未来的不孕不育治疗做铺垫。而科学家和公众则要开始面对随之而来的伦理问题了。
 
“不言而喻,他们真的在小鼠中改变了这一领域。”美国加州大学洛杉矶分校生育专家Amander Clark说,“现在,为了避免该技术在证明其用处之前遭到破坏,我们不得不开始讨论这种配子方式的伦理问题。”
 
小鼠实验
 
在小鼠的生长过程中,胚胎发育第一周后就会出现生殖细胞(约40个PGCs),进而雄鼠和雌鼠会分别形成大量的精子和卵子。Saitou希望了解这些细胞的成长过程是由哪些信号指导的。
 
在过去的10年中,他发现一些基因在特定时间的特定组合对PGCs生长有重要作用。使用这些基因作为标记,他能够从其他细胞中挑选出PGCs进行研究。2009年,在神户市理化研究所,他发现在适宜的培养条件下,在适当时间添加骨形成蛋白4(Bmp4)可以将胚胎干细胞转化为PGCs。
 
以色列雷霍沃特市魏茨曼科学研究所的干细胞专家Jacob Hanna称,Saitou一丝不苟遵循自然过程的方法与其他人的研究形成鲜明对比。Saitou试图精确发现生殖细胞形成的要素,去除多余的信号并注意各种分子起作用的时间的做法,令人印象深刻。英国谢菲尔德大学的干细胞生物学专家Harry Moore将这种对生殖细胞生长过程的认真重建称为“一场胜利”。
 
Saitou的研究起点是从活鼠外胚层提取的细胞,但为了真正控制实验过程,他希望使用现成的培养细胞。2009年,Hayashi离开剑桥大学回到日本后加入了Saitou的研究,他通过借鉴其他研究,使用关键的调节分子(活化素A)和碱性成纤维细胞生长因子来引导胚胎干细胞分化为外胚层,然后将其应用于Saitou之前的研究,促使其成为PGCs,这一过程获得了成功。
 
Hayashi将这些人工培养的PGCs注入自身无法产生精子的小鼠体内,使其成功形成了精子。研究团队再将这些精子注入卵子中,并将胚胎置于雌鼠体内,从而得到了本不能生育的小鼠的后代。
 
人工PGCs大有可为
 
其他研究人员已经可以复制该过程以获得实验室培养的PGCs,不过据《自然》杂志称,尚未有研究团队利用此方法培养出活的动物。人工PGCs对研究表观遗传学的科学家有特殊作用:对决定基因表达的DNA进行生物化学修改。这些修改——多数是向DNA碱基添加甲基——在一些情况下,会携带着有机体的历史记录(例如,曾在子宫接触到的外界化学物质等)。
 
表观遗传标记在胚胎发育期间像对其他细胞一样对PGCs进行作用,不过PGCs很独特,因为当生长成为精子和卵子后,其表观遗传标记便会消失,从而产生一个能形成所有细胞类型的受精卵。
 
微妙的表观遗传变化中的错误会导致不育,并产生睾丸癌等疾病。Hanna的团队已经开始利用人工PGCs研究表观遗传调控中个别酶的作用,并且在将来可能会发现表观遗传网络与疾病的相关性。
 
Hanna表示,的确,体外形成的PGCs为科学家的研究提供了数以百万计的细胞,使研究不再局限于通过解剖早期胚胎才能得到的少量细胞。“这很重要,因为我们拥有了这些经历着重大的全基因组表观遗传变化的罕见细胞——PGCs,我们对该过程了解得并不多。”Hanna说。Clark同意Hanna的看法:“体外模式为科学家提供了前所未有的研究可行性。”
 
临床相关性
 
然而,Hayashi和Saitou并不能向那些不能生育的夫妻提供什么帮助。在研究结果可以应用于临床之前,还有大量问题需要解决。
 
Saitou和Hayashi发现,尽管通过他们的技术产生的后代通常看起来健康且可生育,但是这些后代所产生的PGCs却并不完全“正常”。第二代的PGCs经常会产生脆弱、畸形的卵子。在受精后,这些卵子经常会分裂成为有3组染色体的细胞,而正常的会分裂成两组。
 
另外,人工PGCs产生后代的成功率只有正常体外受精的1/3。哈佛大学医学院研究表观遗传学的Yi Zhang使用了Saitou的方法,发现体外形成的PGCs并不能像自然生成的PGCs那样消除其之前的表观遗传编程。他说:“我们必须意识到这些像PGCs的细胞并不是PGCs。”
 
将PGCs用于不孕不育治疗将是一个巨大的飞跃,包括Saitou在内的很多科学家都敦促须谨慎进行该研究。该技术可安全用于猴子的事实有助于缓解这些忧虑,但是在确定该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?最终,人类胚胎将需要被制造并测试,而这一过程会因对用于研究的胚胎制造的限制而变得缓慢。
 
Saitou利用雄鼠的诱导多能干细胞(iPS)生成精子,并使用雌鼠的iPS产生了卵子,他表示,逆转实验应该是有可能的。如此一来,就可以从同一只小鼠获得卵子和精子,并用于繁殖,产生一种从未出现过的东西:自我繁殖的小鼠。Hayashi和Saitou都还没有准备好尝试这一研究。“如果有科学需要,我会做实验,但只在小鼠身上。”Saitou说。
 
两位科学家已经感受到了病人和日本资助机构要求其继续实验的压力。该技术应该是不能进行体外受精的女性,以及在童年时患癌症而不能产生精子或卵子的病人的最后希望。Hayashi提醒那些写信给他的人,可行的不孕治疗可能在未来10年甚至是50年才会出现。“我的印象是它很遥远,我不想给人们那些不切实际的希望。”他说。
 
病人会看到小鼠实验的成功结果,但是经常会忽略这些尖端技术背后多年的艰苦工作。Hayshi表示,他们并没有意识到从小鼠转向人的实验意味着几乎要重新开始。因为人类早期胚胎与小鼠的完全不同。(张冬冬)
 
《中国科学报》 (2013-08-28 第3版 国际)
 
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