“人造精子”技術(shù)不止一種，未來它們會有哪些應(yīng)用
撰文 | 常春藤
01
制備“人造精子”的方法不止一種
在過去的20多年里，科學(xué)家一直嘗試在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)出人造精細(xì)胞。2015年，法國一家生物技術(shù)公司Kallistem的研究人員宣稱，他們從6個患有不育癥的男性睪丸中提取出精原細(xì)胞，成功培育出成熟的人造精子細(xì)胞。
所謂的精原細(xì)胞是指原始的、尚未成熟的精子細(xì)胞，精原細(xì)胞在男性的睪丸中生成，經(jīng)過復(fù)雜的生理生化過程以及調(diào)控機(jī)制，最終在附睪中成熟，變成精子。該技術(shù)的問世，有望在治療男性少精或無精導(dǎo)致的不育不孕癥中發(fā)揮作用。
這兩年，國內(nèi)媒體也不時曝光“人造精子”的研究，引起了公眾廣泛的關(guān)注。來自中科院生化與細(xì)胞研究所的李勁松研究員，其實(shí)驗(yàn)室既可將雄性小鼠的體細(xì)胞變成“類精子”，也可以直接由雌性小鼠的卵細(xì)胞變成“類精子”。不管“類精子”是從雄性個體來的，還是來自雌性個體，均有可能與另一顆卵細(xì)胞結(jié)合形成受精卵，研究人員再將這些特殊的受精卵植入小鼠的子宮中，于是就生出了一只只與正常小鼠無異的新個體來。
具體來說，李勁松研究團(tuán)隊(duì)成功建立了穩(wěn)定的“類精子細(xì)胞”單倍體細(xì)胞系，這些細(xì)胞是利用幼年雄鼠體細(xì)胞克隆出來的，這些“類精子”能穩(wěn)定地與雌鼠的卵細(xì)胞結(jié)合，產(chǎn)生出半克隆小鼠。相關(guān)研究發(fā)表在2015年7月10日出版的權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell上。同年，李勁松團(tuán)隊(duì)利用幼年小鼠的卵細(xì)胞，使其變成“類精子”，代替精子與另一個卵細(xì)胞結(jié)合，也能形成受精卵，并最終生出小鼠，只不過這些小鼠只有一個性別：均為雌性。
小鼠研究在人類健康諸如癌癥研究等方面有很大的價值，因此，這些具有穩(wěn)定遺傳的半克隆小鼠意義非凡，它們是良好的人類疾病研究模型。
事實(shí)上，早在2012年，李勁松研究團(tuán)隊(duì)就建立了小鼠孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞，并且能讓這一細(xì)胞替代精細(xì)胞使雌鼠產(chǎn)生的卵細(xì)胞“受精”，生產(chǎn)出半克隆小鼠。但是隨著細(xì)胞的傳代（增殖），其逐漸丟失授精能力。李勁松對該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，獲得了能夠穩(wěn)定產(chǎn)生半克隆小鼠的“類精子細(xì)胞”。與正常的精細(xì)胞相比，它們只不過是沒有游動的尾巴而已，但仍能同卵細(xì)胞進(jìn)行結(jié)合，形成正常的小鼠胚胎。該項(xiàng)研究曾入選2012年中國科學(xué)十大進(jìn)展之一。
02
半克隆小鼠是良好的動物研究模型
近年來，李勁松團(tuán)隊(duì)利用半克隆小鼠做了一些有意義的探索，如篩選決定胚胎發(fā)育的關(guān)鍵基因、在體篩選決定蛋白質(zhì)功能的關(guān)鍵氨基酸、建立模擬人類疾病的小鼠模型、開展基因組標(biāo)簽計劃等。
根據(jù)李勁松團(tuán)隊(duì)介紹，“人造精子細(xì)胞”介導(dǎo)半克隆技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多樣化的基因編輯，并一步獲得相應(yīng)的基因修飾小鼠模型，有望為生殖、發(fā)育、人類遺傳學(xué)等領(lǐng)域提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。
遺傳性疾病神經(jīng)管畸形，圖片來源cdc
李勁松團(tuán)隊(duì)也在利用細(xì)胞重編程的技術(shù)來探究人類的遺傳疾病——神經(jīng)管畸形，他與合作者利用“人造精子”技術(shù)培育全雌性半克隆小鼠，來檢驗(yàn)導(dǎo)致神經(jīng)管畸形的基因位點(diǎn)。神經(jīng)管是一種常見的出生遺傳缺陷，神經(jīng)管異常之后會使胚胎產(chǎn)生無腦、腦部膨脹、脊柱裂、唇腭裂等癥狀，70%的神經(jīng)管畸形病例與遺傳有關(guān)。
李勁松團(tuán)隊(duì)的“人造精子”技術(shù)也可以稱為半克隆技術(shù)，它比傳統(tǒng)的二倍體胚胎干細(xì)胞基因打靶技術(shù)更具優(yōu)勢，因此能快速篩查到相應(yīng)的基因位點(diǎn)。
“復(fù)旦大學(xué)王紅艷課題組在神經(jīng)管畸形和正常對照樣本中，篩選了數(shù)個潛在致病突變位點(diǎn)。我們將突變位點(diǎn)逐一敲入人造精子，分別培養(yǎng)出含有這些候選突變位點(diǎn)的小鼠細(xì)胞系，最后我們鎖定了一系列基因位點(diǎn)的雜合突變會導(dǎo)致胚胎死亡?！?/span>
李勁松在一次訪談時表示。
如果使用傳統(tǒng)二倍體胚胎干細(xì)胞基因打靶技術(shù)周期會很長，需要培育好幾代才能夠最終確定特定的基因位點(diǎn)。而如果以單倍體胚胎干細(xì)胞為對象進(jìn)行基因研究和篩選，則會大大縮短實(shí)驗(yàn)周期?！拔覀冎恍枰獙y帶修飾基因的孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞注入卵子，便能直接獲得攜帶特定基因遺傳修飾的半克隆小鼠，從而加速出生缺陷、多基因介導(dǎo)復(fù)雜疾病的病因分析。這正是我們得以實(shí)現(xiàn)快速基因篩選的關(guān)鍵所在。”李勁松表示。
除了快速篩查特定的遺傳疾病的基因位點(diǎn)外，李勁松目前在利用這一技術(shù)進(jìn)行基因組標(biāo)記，從而讓目前已識別的26000個蛋白質(zhì)帶上DNA序列標(biāo)簽，從而更好地實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)功能網(wǎng)絡(luò)以及生命科學(xué)的研究。
03
“人造精子”技術(shù)的潛在應(yīng)用
目前，李勁松團(tuán)隊(duì)的“人造精子”技術(shù)主要在小鼠模型上進(jìn)行應(yīng)用，且將利用這一技術(shù)制備的小鼠用于人類疾病的研究或者獲得新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
實(shí)際上，“人造精子”技術(shù)未來在瀕危物種繁育，甚至人類不孕不育等方面都可能有所應(yīng)用。
在大型野生動物日益稀少的今天，很多珍稀動物都是孤立在不同的動物園或保育中心，通過該技術(shù)能夠有效地使一些珍稀雌性動物在缺乏雄性個體或者雄性個體精子質(zhì)量嚴(yán)重下降時，進(jìn)行精子再造實(shí)驗(yàn)，使雌性個體受孕、繁殖，從而延續(xù)這一物種的數(shù)量。
干細(xì)胞領(lǐng)域資深學(xué)者羅伯特·蘭札
至于“人造精子”如何造福人類生殖領(lǐng)域，2014年，美國干細(xì)胞學(xué)者羅伯特·蘭札（Robert Lanza）成功利用人類皮膚細(xì)胞制造出精子前體細(xì)胞，該技術(shù)潛在地能為那些無精或少精的人群解決不孕不育問題。
目前，全球各地的男性精子質(zhì)量普遍下降。有數(shù)據(jù)顯示，美國不孕不育夫婦占比10%~15%。這一比例在英國更高，約1/6的夫婦有生育困難問題。中國在這方面的數(shù)據(jù)是如何的呢？根據(jù)中國人口協(xié)會的資料顯示，中國不孕不育人口大約有4000萬，占據(jù)了育齡人口的12.5%；而20年前，這一比例僅為3%左右。不孕不育部分原因歸結(jié)于男性精子質(zhì)量下降嚴(yán)重。根據(jù)全國各地捐精者的數(shù)據(jù)顯示，精子合格率不到30%。這主要表現(xiàn)在精子濃度、活力、存活率、形態(tài)（畸形）等方面。
不論是李勁松團(tuán)隊(duì)的半克隆小鼠技術(shù)，還是蘭札成功制造出人類精子前體細(xì)胞，他們都是利用到了細(xì)胞的重編程技術(shù)，讓成體細(xì)胞“重回第二春”。早在2006年，日本學(xué)者山中伸彌就利用重編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）的研發(fā)，讓已分化的成體細(xì)胞變年輕，可以再分化成其他的細(xì)胞。因?yàn)樵诩?xì)胞核重新編程研究領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，他與英國發(fā)育生物學(xué)家約翰·戈登分享了2012年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。
事實(shí)上，利用細(xì)胞的重編程，不僅可以制造“人造精子”，也可以在臨床上幫助病人獲得康復(fù)，如日本科學(xué)家高橋雅代已經(jīng)利用iPS細(xì)胞來治療一種老年人常見的眼疾——黃斑變性。
目前，利用細(xì)胞的重編程造福人類健康的應(yīng)用還非常少。以“人造精子”為例，人類的生殖細(xì)胞的形成過程與小鼠差異較大。人的生殖細(xì)胞的形成、發(fā)育以及成熟過程，是一個非常復(fù)雜的生物學(xué)過程，其中還涉及表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。只有完全掌握這些信息，才能更好地進(jìn)行“人造精子”研究，另外涉及人的健康和生命，如果要進(jìn)行試驗(yàn)，需要非常嚴(yán)格的倫理規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)，相關(guān)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用進(jìn)展緩慢。除此之外，我們對生命的了解還非常有限，同時對細(xì)胞的定向分化也難以把控。
但是隨著生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展，相信在不久的未來，科學(xué)家會逐一攻克這些難題。
參考文獻(xiàn)
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