“人造精子”技術(shù)不止一種，未來它們會(huì)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(gè)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(shí)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(gè)體來的，還是來自雌性個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(jià)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(huì)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(gè)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(huì)導(dǎo)致胚胎死亡。”
李勁松在一次訪談時(shí)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(huì)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(huì)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(shí)別的26000個(gè)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(dòng)物日益稀少的今天，很多珍稀動(dòng)物都是孤立在不同的動(dòng)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(dòng)物在缺乏雄性個(gè)體或者雄性個(gè)體精子質(zhì)量嚴(yán)重下降時(shí)，進(jìn)行精子再造實(shí)驗(yàn)，使雌性個(gè)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(huì)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(jiǎng)。
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(gè)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(shí)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(huì)逐一攻克這些難題。
參考文獻(xiàn)
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