自从去年 10 月以来，分子生物学家 Katsuhiko Hayashi 收到了大约十几封来自夫妇的电子邮件，他们大多是中年人，迫切渴望一件事：一个婴儿。一位来自英格兰的更年期妇女提出要到他在日本京都大学的实验室，希望他能帮助她怀孕。“这是我唯一的愿望，”她写道。
在 Hayashi 发表了一项实验的结果后，这些请求开始陆续出现，他原本认为这项实验主要会引起发育生物学家的兴趣。他从体外培养的小鼠皮肤细胞开始，创建了原始生殖细胞 (PGC)，这些细胞可以发育成精子和卵子。为了证明这些实验室培养的版本与自然发生的 PGC 真正相似，他用它们来制造卵子，然后用这些卵子制造了活的小鼠。他称这些活产只是研究的“副作用”，但这个实验室实验变得意义重大，因为它提出了从不孕妇女的皮肤细胞中制造可受精卵的前景。它还表明，男性的皮肤细胞可以用来制造卵子，女性的细胞可以用来产生精子。（事实上，在研究发表后，一家同性恋杂志的编辑给 Hayashi 发邮件索取更多信息。）
尽管这项研究具有创新性，但公众的关注让 Hayashi 和他的资深教授 Mitinori Saitou 感到惊讶。他们花了十多年的时间拼凑哺乳动物配子产生的微妙细节，然后在体外重新创建这个过程——这一切都是为了科学，而不是医学。他们的方法现在允许研究人员创建无限量的 PGC，而这些 PGC 以前很难获得，这种珍贵细胞的定期供应有助于推动哺乳动物繁殖的研究。但是，当他们推动从老鼠到猴子和人类的科学挑战性转变时，他们正在为不孕症治疗的未来，甚至可能是在生殖方面更大胆的实验设定方向。科学家和公众才刚刚开始探讨相关的伦理问题。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
加州大学洛杉矶分校的生育专家 Amander Clark 说：“不用说，[他们]确实改变了小鼠领域。现在，为了避免这项技术在有机会展示其用途之前就脱轨，我们必须就以这种方式制造配子的伦理问题进行对话。”
回到起点
在小鼠中，生殖细胞在胚胎发育的第一周后出现，表现为大约 40 个 PGC 的一组。这个小群体继续形成雌性小鼠出生时拥有的数万个卵子，以及雄性每天产生的数百万个精子细胞，它将传递小鼠的整个遗传遗产。Saitou 想了解哪些信号指导这些细胞在整个发育过程中的发展。
在过去的十年中，他辛辛苦苦地鉴定了几个基因，包括Stella、Blimp1 和 Prdm14，当这些基因在特定的组合中和特定的时间表达时，它们在 PGC 发育中起着至关重要的作用。他使用这些基因作为标记，能够从其他细胞中选择 PGC，并研究它们会发生什么。2009 年，在日本神户的理化学研究所发育生物学中心进行的实验中，他发现当培养条件合适时，只需在精确的时间添加一种成分——骨形态发生蛋白 4 (Bmp4)——就足以将胚胎细胞转化为 PGC。为了检验这个原理，他向胚胎细胞中添加了高浓度的 Bmp4。几乎所有这些细胞都变成了 PGC。他和其它科学家都认为这个过程会更复杂。
图片来源：《自然》杂志
以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的干细胞专家 Jacob Hanna 说，Saitou 的方法——一丝不苟地遵循自然过程——与其他人正在进行的工作形成了鲜明的对比。许多科学家试图通过用信号分子轰击干细胞，然后从成熟细胞的混合物中挑选出他们想要的细胞，在体外创建特定的细胞类型。但是，这些细胞是如何形成的，或者它们与自然版本有多相似，这一点永远不清楚。Saitou 努力找出制造生殖细胞需要什么，消除多余的信号，并注意各种分子发挥作用的确切时间，这给他的同事留下了深刻的印象。“这项工作中蕴含着一个非常美丽的隐藏信息——细胞[在体外]分化真的不容易，”Hanna 说。英国谢菲尔德大学的干细胞生物学家 Harry Moore 认为，对生殖细胞发育的仔细再现是“一项胜利”。
在 2009 年之前，Saitou 的起点是取自活体小鼠外胚层的细胞——外胚层是一种杯状的细胞集合，覆盖在胚胎的一端，在发育的第一周末形成，就在 PGC 出现之前。但是为了真正掌握这个过程，Saitou 希望从容易获得的培养细胞开始。
那是 Hayashi 的一个项目，他于 2009 年从英国剑桥大学返回日本，像之前的 Saitou 一样，他在该领域先驱 Azim Surani 的实验室完成了为期四年的工作。Surani 对这两位科学家评价很高，他说他们“在性格和解决问题的方式和方法上互补”。Saitou “有条理”，并且“一心一意地设定和完成他的目标”，而 Hayashi “工作更凭直觉，对这个主题有更广阔的视野，并且表面上采取更放松的方法”，他说。“他们共同组成了一支非常强大的团队。”
Hayashi 加入了京都大学的 Saitou，他很快发现这里与剑桥大学不同。Hayashi 习惯于花在理论讨论上的时间少了很多；相反，人们会直接投入到实验中。“在日本，我们只是做。有时这可能非常低效，但有时会取得巨大的成功，”他说。
Hayashi 试图使用外胚层细胞——Saitou 的起点——但是他没有像 Saitou 那样使用提取的细胞，而是试图将它们培养成一个可以产生 PGC 的稳定细胞系。那没有奏效。Hayashi 随后借鉴了其他研究，这些研究表明，一种关键的调节分子（激活素 A）和一种生长因子（碱性成纤维细胞生长因子）可以将培养的早期胚胎干细胞转化为类似于外胚层的细胞。这激发了使用这两个因子诱导胚胎干细胞分化为外胚层的想法，然后应用 Saitou 先前的公式来推动这些细胞成为 PGC。这种方法是成功的。
然而，为了证明这些人工 PGC 是真实的副本，必须证明它们可以发育成可行的精子和卵子。这个过程很复杂而且人们不太了解，因此研究团队将这项工作交给了自然——Hayashi 将 PGC 插入到无法产生自身精子的小鼠的睾丸中，然后等待观察这些细胞是否会发育。Saitou 认为这会奏效，但很担心。“这看起来像是 50/50 的机会，”他说。“我们既兴奋又担心。”但是，在第三或第四只小鼠身上，他们发现睾丸中有又粗又黑的生精小管，里面塞满了精子。“它发生得非常顺利。我知道它们会产生幼崽，”Hayashi 说。该团队将这些精子注入卵子，并将胚胎植入雌性小鼠体内。结果是可生育的雄性和雌性（见“制造婴儿”）。
他们用诱导多能干 (iPS) 细胞重复了这个实验——这些细胞是已经被重编程为类胚胎状态的成熟细胞。同样，精子被用来产生幼崽，证明它们具有功能——在干细胞分化领域，这是一种罕见的成就，科学家们经常争论他们创造的细胞是否真的是它们看起来的样子。“这是整个多能干细胞研究领域中为数不多的几个例子之一，其中从培养皿中的多能干细胞开始明确地产生了一种完全功能的细胞类型，”Clark 说。
他们预计卵子会更复杂，但去年，Hayashi 用一只具有正常颜色的老鼠的细胞在体外制造了 PGC，然后将它们转移到一只白化病老鼠的卵巢中。由此产生的卵子在体外受精，并植入代孕母体内。“我知道它成功了，”当他看到幼崽深色的眼睛穿透它们半透明的眼睑时，他说。
丰富的生殖细胞
其他研究人员已经能够复制该过程以产生实验室培养的 PGC（尽管《自然》杂志联系的任何人都未曾使用它们来产生活的动物）。人工 PGC 对研究表观遗传学的科学家尤其有用：表观遗传学是对 DNA 的生化修饰，这些修饰决定了哪些基因被表达。这些修饰——最常见的是向单个 DNA 碱基添加甲基——在某些情况下，会携带一种生物体所经历的（例如，在子宫内暴露于外来化学物质）历史记录。与它们在其他细胞中的工作方式类似，表观遗传标记在胚胎发育过程中推动 PGC 走向其命运，但 PGC 是独一无二的，因为当它们发育成精子和卵子时，表观遗传标记会被擦除。这使得细胞能够创建一个新的受精卵，该受精卵能够形成所有细胞类型。
细微的表观遗传变化中的缺陷预计会导致不孕症和睾丸癌等疾病的出现。Surani 和 Hanna 的研究小组已经使用人工 PGC 研究单个酶在表观遗传调控中的作用，这可能有一天会揭示表观遗传网络如何参与疾病。
事实上，体外产生的 PGC 为科学家提供了数百万个细胞进行研究，而不是通过解剖早期胚胎获得的 40 个左右的细胞，Hanna 说。“这是一件大事，因为这里我们有这些稀有细胞——PGC——它们正在经历我们几乎不了解的巨大全基因组表观遗传变化，”他说。“体外模型为科学家提供了前所未有的可及性，”Clark 同意道。
临床意义
但是 Hayashi 和 Saitou 对那些恳求他们帮助的不孕夫妇几乎无能为力。在将该协议用于临床之前，还有很多问题需要解决。
斋藤和林发现，尽管他们技术产生的后代通常看起来健康且具有生育能力，但这些后代反过来产生的原始生殖细胞（PGC）并不完全“正常”。第二代 PGC 通常会产生脆弱、畸形，有时甚至会从支持它们的细胞复合物中脱落的卵子。当受精时，这些卵子经常分裂成具有三套染色体而不是正常两套染色体的细胞，并且人工 PGC 成功产生后代的速率仅为正常体外受精（IVF）速率的三分之一。在马萨诸塞州波士顿的哈佛医学院研究表观遗传学的张毅（音译）也一直在使用斋藤的方法，他发现体外 PGC 并不能像天然 PGC 那样有效地清除其先前的表观遗传编程。“我们必须意识到这些是类 PGC 细胞，而不是 PGC，”他说。
此外，仍然存在两个主要的技术挑战。第一个是如何让 PGC 在不移植回睾丸或卵巢的情况下转化为成熟的精子和卵子；林正在试图破译卵巢和睾丸向 PGC 发出的信号，这些信号告诉它们变成卵子或精子，然后他可以将这些信号添加到培养中的人工 PGC 中，以引导它们完成这些阶段。
但最艰巨的挑战将是在人类身上重复小鼠 PGC 的工作。该小组已经开始使用斋藤确定在小鼠生殖细胞发育中重要的相同基因来调整人类诱导多能干细胞（iPS细胞），但斋藤和林都知道，人类的信号网络与小鼠的不同。此外，虽然斋藤有“无数”的活小鼠胚胎可供解剖，但该团队无法获得人类胚胎。相反，研究人员每周从附近的灵长类动物设施获得 20 个猴子胚胎，这是一项为期五年、价值 12 亿日元（1200 万美元）的资助项目。林说，如果一切顺利，他们可以在 5-10 年内在猴子身上重复小鼠的工作；经过细微调整后，该方法很快就可以用于产生人类 PGC。
但将 PGC 用于不孕症治疗仍然是一个巨大的飞跃，许多科学家（包括斋藤）都在敦促谨慎。 iPS 细胞和胚胎干细胞在培养过程中经常出现染色体异常、基因突变和表观遗传异常。“如果某些事情以微妙的方式出错，可能会产生深远的、多代的影响，”摩尔说。
证明该技术在猴子身上是安全的将有助于消除担忧。但是，需要有多少健康的猴子出生才能认为该方法是安全的？应该观察多少代？
最终，需要制造和测试人类胚胎，但创造胚胎用于研究的限制将减缓这一过程。新的、无创的成像技术将使医生能够以高度的准确性区分好坏胚胎。看起来类似于正常体外受精胚胎的胚胎可能会获准植入人体。这可能会在私人资助或对胚胎研究持较少限制态度的国家发生。
当技术准备就绪时，甚至可能实现更具争议性的生殖壮举。例如，理论上可以使用男性皮肤细胞来制造卵子，这些卵子与伴侣的精子受精，然后在代孕者的子宫中培育。然而，有人怀疑这种壮举是否可能实现——讨论干细胞伦理和挑战的国际科学家联盟欣克斯顿集团得出结论，很难从男性 XY 细胞中获得卵子，并从女性 XX 细胞中获得精子。“女性微环境提供给男性细胞的指令彼此不协调，”该联盟成员克拉克说。
斋藤使用雄性小鼠的 iPS 细胞制造精子，并使用雌性小鼠的 iPS 细胞制造卵子，但他表示应该可以反过来进行。如果是这样，可以产生来自同一只小鼠的卵子和精子，并用于受精，从而产生前所未有的东西：由自交创造的小鼠。林和斋藤都不准备尝试这样做。“只有当有充分的科学理由时，我们才会在（小鼠身上）这样做，”斋藤说。现在他看不到这样的理由。
这两位科学家已经感受到来自患者和日本资助机构的压力，要求他们向前推进。这项技术可能是那些体外受精无果的女性，或者那些童年患有癌症并失去产生精子或卵子能力的人的最后希望。林警告那些写信给他的人，可行的不孕症治疗可能还需要 10 年甚至 50 年的时间。“我的印象是它还很遥远。我不想给人们不切实际的希望，”他说。
患者看到的是最终结果——在小鼠身上取得成功——并且经常忽略导致这种技术壮举的多年艰苦工作。林说，他们没有意识到，从小鼠转向人类意味着几乎要从头开始。“人类早期胚胎与小鼠如此不同，以至于它几乎就像‘重新开始一个花费了十多年’的过程。”