日本科學(xué)家用小鼠的皮膚細(xì)胞成功地培育出了能夠產(chǎn)生后代的精子和卵細(xì)胞，這甚至意味著任何人都可以生孩子了。而如何安全而合乎道德地利用這種技術(shù)，也成了一個問題。

從去年10月開始，京都大學(xué)的分子生物學(xué)家林克彥（Katsuhiko Hayashi）開始陸續(xù)收到來自世界各地的電子郵件，大多數(shù)都是不育的中年夫婦。其中一名來自英國、已經(jīng)絕經(jīng)的女士，甚至要求前來拜訪京都大學(xué)的實驗室，希望能夠懷孕。“這是我*的愿望”，她這樣寫道。

事情源于他發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文。林和他的同事們成功地用小鼠的皮膚細(xì)胞，在體外培育了原始生殖細(xì)胞（primordial germ cells，PG細(xì)胞），用于發(fā)育生物學(xué)相關(guān)的研究。為了證明人工培育的PG細(xì)胞和生物體自然形成的并無區(qū)別，他將其培育成了卵細(xì)胞，再經(jīng)體外受精育成小鼠。林說，小鼠的出生只是個“副反應(yīng)”。

然而“副反應(yīng)”卻也意味深長：利用不育婦女的皮膚細(xì)胞“制造”受精卵，或許將就此成為現(xiàn)實。同時，由于男性的體細(xì)胞能夠制造卵細(xì)胞，女性的細(xì)胞也能制造精子，同性戀產(chǎn)子也不再是虛妄之談——事實上，林克彥收到的郵件中，就有來自同性戀雜志編輯的垂詢。

突如其來的公眾反應(yīng)讓林克彥和他的上級教授齊藤通紀(jì)（Mitinori Saitou）措手不及。事實上，他們已經(jīng)花了十多年的時間，研究哺乳動物生殖細(xì)胞的產(chǎn)生過程，并嘗試在體外進(jìn)行人工模擬。

意外的驚喜

“干細(xì)胞”這個詞，你也許并不陌生。它們是未經(jīng)分化的細(xì)胞，具有形成多種組織器官的潛在功能，然而，如何通過人工的方法讓它們變成生殖細(xì)胞，卻一直是個難題。不同于一般體細(xì)胞，每個生殖細(xì)胞內(nèi)只含有一套染色體。這也意味著，生殖細(xì)胞是通過減數(shù)分裂形成的，而不是通常的有絲分裂。

在小鼠體內(nèi)，生殖細(xì)胞在胚胎發(fā)育的一周之后開始出現(xiàn)，zui初的PG細(xì)胞大約有40個。正是這個微小的細(xì)胞團(tuán)，而后一步步形成了母鼠體內(nèi)成千上萬的卵細(xì)胞，以及公鼠體內(nèi)每天產(chǎn)生的以百萬計的精子。齊藤通紀(jì)想要弄清楚，究竟是何種信號分子在指引并控制著這個過程。

過去數(shù)十年中，他發(fā)現(xiàn)了幾種基因—包括Sla、Blimp1和Prdm14—它們的特定組合，以及特定的表達(dá)時間，在PG細(xì)胞的發(fā)育中起到了關(guān)鍵的作用。利用這些基因作為標(biāo)記，他得以挑選出PG細(xì)胞，并且研究它們身上的變化。

2009年，齊藤在神戶的理化學(xué)研究所（RIKEN Center for Developmental Biology）的實驗室發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)條件適宜的時候，只要在培養(yǎng)液中加入骨形態(tài)發(fā)生蛋白-4（Bmp4），并地控制加入時間，就能將小鼠胚胎細(xì)胞轉(zhuǎn)化為PG細(xì)胞。Bmp4濃度足夠時，轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)到了100%。這個結(jié)果來得如此順利，以至于他自己也不敢相信。

齊藤這種謹(jǐn)慎觀察的實驗風(fēng)格，和同領(lǐng)域的其他科學(xué)家不太一樣。通常的研究方法，是用多種信號分子，不分青紅皂白地去“轟擊”干細(xì)胞，然后根據(jù)需要挑選出合適的分化類型。如此，雖然能夠得到目標(biāo)細(xì)胞，卻沒有人知道它們形成的確切機理，以及與非人造的有什么區(qū)別。齊藤所做的工作，就是排除多余的東西，弄清楚原始生殖細(xì)胞到底是哪種信號分子的作用，同時找到合適的作用時間。

直到2009年，齊藤的實驗起點還是從小鼠胚胎提取的外胚層細(xì)胞，也就是胚胎發(fā)育*周末期，出現(xiàn)在胚胎一端的杯狀細(xì)胞團(tuán)，恰好在PG細(xì)胞出現(xiàn)之前。為了對這個過程有個更清晰的了解，齊藤想培養(yǎng)一個能穩(wěn)定產(chǎn)生PG細(xì)胞的細(xì)胞系。

用干細(xì)胞培養(yǎng)生殖細(xì)胞

這個計劃交給了當(dāng)年剛剛從劍橋大學(xué)回到日本的林克彥。巧的是，林在劍橋的博士后訓(xùn)練，和齊藤在同一個實驗室完成。他們共同的導(dǎo)師蘇拉尼（Azim Surani）對二位評價都很高，說他們倆“無論是性格，還是解決問題的風(fēng)格和方式，都非常互補”。齊藤是“系統(tǒng)化的，對于設(shè)定及完成目標(biāo)非常篤定”，而林“更依賴直覺，看問題的角度也更為廣闊”。“他們兩個組建的團(tuán)隊非常有力，”蘇拉尼說。

林加入齊藤在京都大學(xué)的小組之后，很快就發(fā)現(xiàn)了這里跟劍橋的不同。在這里，人們很少對實驗計劃做理論上的考量，幾乎是想到什么點子，就立刻著手做實驗。“有時候這很沒效率，但也有可能帶來巨大的成功。”

林直接培養(yǎng)PG細(xì)胞的嘗試沒有成功，幸而他很快轉(zhuǎn)變了方向。他在查閱文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，在一種關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子和生長因子的作用下，胚胎干細(xì)胞能夠在體外轉(zhuǎn)化為外胚層細(xì)胞的同源細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞已經(jīng)能夠在體外大量培養(yǎng)，這啟發(fā)了林：可以從胚胎干細(xì)胞出發(fā)，先分化為外胚層細(xì)胞，再用齊藤的方法培育為PG細(xì)胞。

這次他成功了。為了表明這些PG細(xì)胞的有效性，林得證實，它們確實能夠分化為可育的精子或卵細(xì)胞。這一過程的原理非常復(fù)雜而未知，林決定讓動物體來完成這件事情，于是他將PG細(xì)胞注入了不育公鼠的睪丸。齊藤認(rèn)為他們大概有一半的勝算，終于在第三或者第四只公鼠身上，精液產(chǎn)生了。他們提取精液注射入卵細(xì)胞中，再把受精卵植入代孕母鼠體內(nèi)。*批“人造”小鼠隨后誕生，有雌鼠和雄鼠，健康且可育。

他們繼而用誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞）重復(fù)了這個實驗。iPS細(xì)胞由京都大學(xué)的山中伸彌2006年首先研制成功，是成熟細(xì)胞逆分化為類胚胎細(xì)胞的狀態(tài)，山中也因此獲得了2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。實驗進(jìn)行得很順利，這意味著，以iPS細(xì)胞為中間體，成熟的體細(xì)胞也能zui終轉(zhuǎn)變?yōu)镻G細(xì)胞。

2011年，齊藤小組先用小鼠iPS細(xì)胞制成了可育的精子。卵細(xì)胞的制造要復(fù)雜一些，去年，林用正常小鼠的體細(xì)胞培育了一些PG細(xì)胞，先在體外和白化小鼠的卵巢體細(xì)胞一同培養(yǎng)，再植入其卵巢中發(fā)育成熟。這些寶貴的卵細(xì)胞經(jīng)過體外受精誕下了幼鼠，當(dāng)林看到它們的黑眼珠滴溜溜地在半透明的眼皮下轉(zhuǎn)動時，他知道自己又一次成功了。

這在干細(xì)胞分化領(lǐng)域是鮮有的成就：科學(xué)家們常常爭論的一個問題就是，他們用干細(xì)胞造出的各種細(xì)胞，到底能不能真正起作用。加州大學(xué)洛杉磯分校的生殖學(xué)專家克拉克（Amander Clark）說，“這是多功能干細(xì)胞研究中，僅有的幾個分化出具有明確功能細(xì)胞的案例之一。”

巨大的科研價值

除了京都大學(xué)的研究組之外，也有其他研究人員在嘗試人工制造PG細(xì)胞，但他們并不是用于培育小鼠。人工PG細(xì)胞對實驗胚胎學(xué)的科研具有重要的意義：研究DNA的甲基化。

作為表觀遺傳的重要證據(jù)，DNA甲基化在很多時候能告訴你，這個生命體究竟經(jīng)歷過什么，比如在子宮中的化學(xué)物質(zhì)暴露，甚至童年的饑荒或者心理陰影。與經(jīng)典的孟德爾遺傳法則不同，表觀遺傳是指在不改變DNA序列的前提下，由某些機制引起的可遺傳的基因表達(dá)，或者細(xì)胞表現(xiàn)型的變化。

表觀遺傳的標(biāo)記在胚胎發(fā)育過程中，能夠指導(dǎo)細(xì)胞朝不同方向發(fā)展，然而PG細(xì)胞卻很特殊，當(dāng)它們發(fā)育為精子和卵細(xì)胞的時候，甲基化的標(biāo)記被抹掉了。正是由于這一點，PG細(xì)胞才能夠在日后形成的受精卵。

表觀遺傳中的微小差錯，都有可能造成不育，或者諸如睪丸癌之類的功能紊亂。蘇拉尼的研究小組，已經(jīng)在利用人工PG細(xì)胞，研究幾種酶在表觀遺傳調(diào)控中的作用，希望能找到表觀遺傳與此類疾病的相互作用。

有一點是確定的：人工培育的PG細(xì)胞為科研工作者們提供了充足的實驗資源，這是的。zui起碼，他們不必再解剖胚胎獲得那40個寶貴的PG細(xì)胞了。

遙遙無期的研究應(yīng)用

盡管PG細(xì)胞發(fā)育成的小鼠看上去是健康可育的，但PG細(xì)胞本身看上去卻不*正常，第二代的PG細(xì)胞常常會產(chǎn)生易碎、變形或者異位的卵細(xì)胞。受精之后，有的卵細(xì)胞會形成含有三套染色體的受精卵，而通常情況下哺乳動物都應(yīng)該是二倍體。另外，人工PG細(xì)胞的體外受精成功率只有通常情況的1/3。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授張毅也發(fā)現(xiàn)，人工PG細(xì)胞不能夠抹去表觀遺傳的標(biāo)記。

在通往研究應(yīng)用的道路上，*的技術(shù)問題在于，如何在體外制造成熟的精子和卵細(xì)胞，而不用把人工PG細(xì)胞植入睪丸和卵巢內(nèi)。林正在試圖解碼這個過程中起作用的信號分子，一旦成功，就能夠利用它們?nèi)フT導(dǎo)PG細(xì)胞的體外分化。

更為困難的挑戰(zhàn)是如何將小鼠實驗應(yīng)用于人類。京都大學(xué)的研究小組已經(jīng)開始用對付小鼠細(xì)胞的方法來處理人體iPS細(xì)胞，但林和齊藤都明白，人類的信號分子系統(tǒng)和小鼠是*不同的。并且，用于實驗的小鼠胚胎細(xì)胞相對容易獲取，人類胚胎細(xì)胞卻不能通過解剖的辦法獲得。

他們因此退而求其次，從猴子入手。不久前獲批的1200萬美元研究經(jīng)費中，就有一大部分用于每周20個猴子胚胎的供應(yīng)。林說，如果一切順利的話，他們能夠在5-10年內(nèi)在猴子身上重復(fù)小鼠實驗，之后經(jīng)過一些調(diào)整，有望應(yīng)用于人類。

然而，利用PG細(xì)胞進(jìn)行不育治療仍然是個很大膽的做法，包括齊藤在內(nèi)的很多科學(xué)家，都呼吁人們謹(jǐn)慎。iPS細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞都很容易在培養(yǎng)過程中，發(fā)生染色體異常、基因突變和表觀遺傳紊亂，微小的錯誤逐漸累積，可能會在幾代之后才表現(xiàn)出異常。

若能證明這項技術(shù)對猴子是安全的，則有可能打消人們的顧慮。但是，究竟要生出多少健康的猴子，才能證明其安全性，又應(yīng)該觀察多少世代呢？

理想的前景大概是這樣：一種新的、非破壞性的影像技術(shù)能夠讓醫(yī)生準(zhǔn)確地挑出好的胚胎，那些看上去正常的，才能被植入人體，發(fā)育成胎兒。研究經(jīng)費也許會來自私人資金，或者對胚胎研究限制更少的國家。

一些更加不可思議的繁殖方式都可能由此出現(xiàn)。比如，理論上來說，男性的皮膚細(xì)胞也能夠用來制造卵細(xì)胞，從而與精子結(jié)合，然后在代孕媽媽體內(nèi)發(fā)育成胎兒。有些人懷疑其可能性——辛克斯頓團(tuán)（theHinxton Group），一個討論干細(xì)胞倫理的科學(xué)家的協(xié)會就表示，從男性的XY體細(xì)胞中產(chǎn)生卵細(xì)胞，以及從女性的XX體細(xì)胞中產(chǎn)生精子，都是不可能的。

齊藤制造的精子來自雄鼠，卵細(xì)胞來自雌鼠，但是他認(rèn)為反過來也沒有問題。PG細(xì)胞沒有性別之分，分化為精子還是卵細(xì)胞，由培養(yǎng)環(huán)境決定。如果是這樣的話，同一只小鼠產(chǎn)生的精子和卵細(xì)胞也能產(chǎn)生受精卵，產(chǎn)生自體繁殖的小鼠。這是從未有過的生物，但林和齊藤都不打算嘗試，“只有存在一個好的科研理由時，我們才有可能考慮。”目前，他們還沒有看到這方面的必要。

林和齊藤都已經(jīng)感受到了來自不育患者和日本財團(tuán)的壓力。這種技術(shù)，對于體外受精無效的不育婦女，以及因患病而無法產(chǎn)生精子或卵細(xì)胞的人，也許是zui后一線希望。林無奈地警告了給他寫信的人們，可行的不育治療手段在10年甚至50年之后才能成熟。“我覺得這是很遙遠(yuǎn)的事，我不想給人們無謂的念想。”