在胚胎發(fā)育的進程中，她找到了答案

編譯 邢鴻飛

“你知道還有什么比精子和卵子結(jié)合后形成一個人更有意思的事情嗎?” 在2018年7月舉行的發(fā)育生物學學會年會上，干細胞生物學家雷妮·雷霍·佩拉（Renee Reijo Pera）向數(shù)百名科學家發(fā)表主題演講時問道。過去幾十年，她主要負責研究與生殖細胞出現(xiàn)相關(guān)的基因和其他信息、產(chǎn)生生殖細胞的分子平衡行為、預測胚胎健康的因素等。她對科學的敬畏只增不減?！斑@讓我想起宇宙大爆炸，但那是怎么發(fā)生的呢?”她后來解釋說，有那么多條件必須恰到好處，每回答一個問題，總有可能進一步再問：“但那是怎么發(fā)生的？”。

“這有點出人意料，”她說,“我們真的知道得不多?！?/p>

她努力試圖描繪更大的圖景，出現(xiàn)的共同主題是：在胚胎發(fā)育的最初階段，一些看似簡單的時機安排卻可能對健康和疾病產(chǎn)生巨大影響，甚至在出生幾十年后也是如此。就在最近，她利用這一發(fā)現(xiàn)擴大了研究范圍，例如，研究胚胎中細胞命運的決定可能引發(fā)帕金森癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

但是今天，佩拉把更多的時間花在實驗室之外，投身于完全不同的挑戰(zhàn)之中。“我們能把科學帶給大眾嗎?”她在講臺上問道。她說，要做到這一點，“我們需要講故事”，那些把科學家自己與他們的工作聯(lián)系在一起的故事，那些讓他們變得脆弱、更容易被人們認同的故事。

她說，她自己的科學之路是之前從未預料過的。她在威斯康星州的小鎮(zhèn)上長大，從小過著貧困的生活，是家里6個孩子中最小的，也是家里第一個完成四年學習拿到學位的人。她的母親做過幾份工作，獨自一人養(yǎng)活她和她的兄弟姐妹，她很少見到的父親曾是醫(yī)生，在她童年的大部分時間里，父親掙扎在酗酒和夜不歸宿的生活中。佩拉 20多歲時父母雙雙去世。她能走入科學領(lǐng)域的職業(yè)生涯幾乎就是偶然，但她后來成為胚胎干細胞和生育方面的專家，同時還是斯坦福大學人類胚胎干細胞研究和教育中心的主任。

然而在2013年，她決定拋開這一切，成為蒙大拿州立大學負責研究和經(jīng)濟發(fā)展的副校長。她覺得這個工作可以讓她在科學教育領(lǐng)域發(fā)揮更大的影響力。

《量子雜志》（Quanta Magazine）最近采訪了佩拉，談到她對時機、細胞命運和健康之間聯(lián)系的探索；談到逆轉(zhuǎn)錄病毒DNA在胚胎早期發(fā)育中的驚人作用以及她對科學教育未來的希望。為了清晰明了，本文對采訪內(nèi)容進行了編輯。

你從小在威斯康星州的鐵河小鎮(zhèn)長大，究竟是什么最終讓你走上了科學的道路?

鐵河鎮(zhèn)位于蘇必利爾湖南岸20英里處，是個大約有1 000人的小鎮(zhèn)，在我小的時候人口更少。和美國的許多其他小城鎮(zhèn)一樣，那里的孩子們上小學和高中，但當說到上大學或求職時，他們并沒有多大的抱負。我從來沒想過自己會上大學。我的母親是了不起的，她非常希望我的兄弟姐妹和我開心幸福，但我的父親不在家，加上照料我們這六個孩子，她非常忙。沒有人真正跟我談過大學生活。

高中早早畢業(yè)后，我在福特汽車銷售處找到了一份記賬員的工作，干了幾個月。但我意識到，日復一日重復的工作將會是漫長的一生。于是我第一次開始思考，自己可能想做什么。接著我得到了經(jīng)濟資助，進入威斯康星大學蘇必利爾分校的商科專業(yè)學習。在大一和大二的時候，好幾次想放棄，因為我真的不知道自己的發(fā)展方向。但我最終還是輾轉(zhuǎn)又回來。后來我選修了一門叫作人類遺傳學的非專業(yè)課程，便愛上了它。從那以后我開始認真起來。

什么促使你把工作重點放在研究胚胎發(fā)育和繁殖上?

我個人對這些問題很感興趣，因為我姐姐和我早些時候都得過卵巢癌，所以我沒有孩子。但因此我也非常想弄明白其中不為人知的本質(zhì)，我想了解細胞的命運，想要回答這樣的問題：卵子和精子是如何將信息一代一代傳遞下去的？這樣的模式是如何形成的，使得受精后總需要11個小時才會進行下一次細胞分裂？可惜，我們對卵子和精子究竟是什么知道得實在太少。我還是很驚訝精子和卵子結(jié)合在一起就變成了一個人。太瘋狂了，不是嗎?

那我們對此了解多少?

我們目前仍然處于研究的描述性階段，甚至獲取受精和胚胎發(fā)育的視頻圖像只是近些年的進展。分子事件也是如此，但我們一直都在增加描述類別，比如表觀遺傳標記的研究?，F(xiàn)在，通過單細胞分析可以真正開始探索這些類別。我們剛剛開始了解到哪些基因程序是開著的，哪些是關(guān)著的，以及這些程序在做什么。例如，人類和小鼠胚胎中一些基本的表觀遺傳程序（如組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄激活）驚人的不同，由此我認為表觀遺傳因素決定了物種特有的過程。

那么，關(guān)于人類繁殖的獨特性，你在研究中有什么發(fā)現(xiàn)?

時機最關(guān)鍵。我們的研究表明，胚胎發(fā)育的時間非常精確，且為人類特有，這是完全有道理的，因為它必須與子宮發(fā)育的時間相匹配。我們已經(jīng)將第一次細胞分裂、第二次細胞分裂、第三次細胞分裂的時間，以及對胚胎健康的影響進行了詳細的分析。研究獲得的結(jié)果之一是這些時間參數(shù)和染色體數(shù)量之間的關(guān)系：分裂太快或太慢與胚胎具有的染色體錯誤數(shù)量有明顯關(guān)系。

這些時間參數(shù)究竟是什么?它們?yōu)槭裁催@么重要?

我們結(jié)合成像和基因表達測量來觀察胚胎發(fā)育的時間。在卵子和精子結(jié)合之后，幾乎沒有什么轉(zhuǎn)錄（因為胚胎利用卵子中的母體RNA儲備來制造必需的蛋白質(zhì)）。到了第三天，胚胎基因組被激活，在這一時間節(jié)點出現(xiàn)明顯的一波轉(zhuǎn)錄。我們非常想知道是什么程序驅(qū)動了前三天的發(fā)育。通過研究我們了解到：這是時間精確的細胞分裂，與表觀遺傳因子協(xié)調(diào)，是從母體到胚胎的基因表達的轉(zhuǎn)變。

時間參數(shù)與前三個細胞分裂有關(guān)，在胚胎基因開始表達之前，這三個細胞分裂對胚胎的存活非常重要。

首先，胚胎中的第一個細胞形成腰狀或卵裂溝大約需要30分鐘，正負10分鐘。我們發(fā)現(xiàn)，這在一定程度上可以作為好的染色體數(shù)目的度量標準。當時機錯過時，胚胎更有可能擁有三組染色體而不是兩組。它可能開始分裂，在其他染色體周圍形成卵裂溝，或者完全無法分裂。

下一次細胞分裂，從兩個細胞分裂到三個細胞，需要11個小時，正負4個小時。第二次分裂的時機明確反映了卵子的成熟程度。

最后，第四個細胞應該在第三個細胞之后很快出現(xiàn)。這能夠反映前兩個細胞的營養(yǎng)分配是否均勻：如果其中一個細胞得到所有營養(yǎng)，它會分裂得更快，而另一個細胞則會落后。

發(fā)育時機的選擇不僅對胚胎的存活很重要，而且對未來的健康和疾病也很重要吧?

是的，這是我們的一個重要的假設(shè)，因為時間在決定細胞命運中起著重要作用。胚胎的發(fā)育始于一個特定的時間軸。如果一個細胞不能按時完成某個階段，它的細胞命運就會因此改變，通常會被排出組織、被驅(qū)逐，然后死亡。

例如，2016年發(fā)表在《自然-遺傳學》（Nature Genetics）雜志上的一篇論文寫道，我們發(fā)現(xiàn)了近150個新基因，其中許多是逆轉(zhuǎn)錄病毒，它們在人類干細胞中很早就被表達出來。之后，當我們關(guān)閉一些逆轉(zhuǎn)錄病毒基因時，發(fā)現(xiàn)這樣做改變了細胞的命運。這些細胞只能貢獻給滋養(yǎng)外胚層，而不能成為胚胎干細胞，因為胚胎干細胞最終會生成胎兒，而滋養(yǎng)外胚層則產(chǎn)生將胚胎附著在子宮上的組織。滋養(yǎng)外胚層是由“壞”細胞組成，這些細胞不會成為胎兒的一部分。

佩拉指著展示人類胚胎發(fā)育早期細胞分裂的延時視頻。她的研究表明：這些早期細胞的命運在一定程度上取決于整合到DNA中的逆轉(zhuǎn)錄病毒基因的基因表達

這意味著，關(guān)于細胞時機的一些未解之謎，以及哪些細胞成為胚胎的一部分，哪些細胞成為胚胎外組織的一部分，取決于我們從逆轉(zhuǎn)錄病毒整合中遺傳的人類特有序列。

病毒DNA會在那么早期的發(fā)育過程中扮演如此重要的角色，聽起來讓人意外。

人類進化過程中，病毒一直存在于我們體內(nèi)和身上，并不斷改變我們。我們與斯坦福大學的喬安娜·威索卡（Joanna Wysocka)）在《自然》雜志上發(fā)表了另一篇論文，指出這些病毒序列還有另一個效應：它們不僅影響細胞的命運，還有助于胚胎擺脫病毒感染。

在這兩種情況下，我們在細胞發(fā)育的早期似乎都有一個基于病毒的清理系統(tǒng)。

你也在研究決定細胞會變成生殖細胞的那些因素。那么起作用是什么？

2018年4月份發(fā)表在《自然-細胞生物學》雜志上的一篇論文中，我們發(fā)現(xiàn)了一組3個相互作用的蛋白質(zhì)，它們互相作用形成原始生殖細胞并維持原始生殖細胞的命運。

我們知道OCT4蛋白是胚胎發(fā)育和細胞命運的主要調(diào)控因子之一。但是，如果胚胎細胞和原始生殖細胞都能表達OCT4，那么如何判斷胚胎細胞是否會形成原始生殖細胞呢？我們認為OCT4可以與不同的蛋白以特定的方式發(fā)揮作用，以保證一系列生殖細胞的產(chǎn)生。

這就是細胞中決定的樣子。你可以把它看作支點：干細胞位于中間，如果OCT4和其他蛋白質(zhì)協(xié)同作用，這個支點就會向生殖細胞傾斜。如果其中一種蛋白質(zhì)的含量達不到，我們就會發(fā)現(xiàn)這些細胞變成了外胚層，也就是通常會產(chǎn)生神經(jīng)元的胚胎組織。這一平衡是微妙的。我們現(xiàn)在開始分析每個蛋白質(zhì)在胚胎和生殖細胞發(fā)育中的實際功能，我們正在研究其他轉(zhuǎn)錄因子如何參與其中。

回到你的問題，看看細胞發(fā)育與疾病如何相關(guān)：在細胞命運決定中肯定存在錯誤率，但我們真的不知道這錯誤率是什么或者其后果是什么。

能否請您舉個例子？

一般來說，如果A型細胞必須在B型細胞形成之前形成，但A型細胞生成的數(shù)量太少，就會對B型細胞的形成和數(shù)量產(chǎn)生連鎖反應。舉例來說，在神經(jīng)元形成之前，基底細胞必須先出現(xiàn)。在帕金森癥這樣的失調(diào)疾病中，患者產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元減少了大約75 000個。你可以想象發(fā)生這種損失的兩個原因：開始時的神經(jīng)元就比較少，也許只有50 000個；或者它們以更快的速度失去了特定的神經(jīng)元。

我們知道接觸一些殺蟲劑和化學物質(zhì)會導致某種特定神經(jīng)元的消失，但我們至今仍然不知道帕金森癥是否與分泌多巴胺的神經(jīng)元減少這一自然遺傳有關(guān)。這是我已經(jīng)研究了一段時間的假設(shè)：人類的基因構(gòu)成與疾病有關(guān)不僅是通過環(huán)境，而且因為我們出生時的細胞數(shù)量，而早期的發(fā)育可能會影響許多年后發(fā)生的事情。

例如，更年期也出現(xiàn)了類似的情況。在某些情況下，女性出生時的卵母細胞較少，而且經(jīng)歷卵巢早衰。神經(jīng)病學也有其他的例子，尤其是在老鼠身上。但是，究竟什么與人類疾病有關(guān)還沒有更多的研究，這就是為什么我們正在研究：是否在帕金森癥中發(fā)生了這種情況。

2013年，你放棄了斯坦福大學的主任職位，來到蒙大拿州立大學工作，有一部分原因是希望在科學教育方面發(fā)揮更大影響。請問為什么?

我認為大多數(shù)美國人對科學或科學研究并不那么感興趣。例如，我的家庭就沒有多少科學背景。但在斯坦福的學生中，情況并非如此。美國科學家面臨的問題并不在于讓學生相信科學是重要的。在像蒙大拿州立大學這樣的公立大學，是要說服學生以及學生的家長，這些學生不一定接觸到科學的重要性。

過去非常普遍的的東西我們正在失去。我記得小時候，我和母親坐在一起，她當時在小學當廚師，我們期待看人們登上月球。我們花了整整一個星期準備食物，就是等著坐下來觀看宇航員著陸。這是件大事。

在科學實驗室里，每天都發(fā)生同樣偉大的事情，只是沒有人會在意。也許作為一個社會，我們已經(jīng)對科學麻木了，其實，科學是如此令人興奮。作為一個國家，如果我們投入更多科學、知識和理解，我們將會收獲很多。不過，我并不責怪公眾不理解科學，也不責怪立法者有時不愿投入。他們看起來都很像我的家人。

科學教育究竟缺失了什么?我們該如何解決這個問題?

我認為科學家本身就是故事的重要組成部分，他們可以用仍然令人興奮的方式來描述科學。公眾會不會像我一樣覺得我研究的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)讓人興奮？有合適背景能夠理解它的人也許會覺得興奮。但是，對沒有相關(guān)知識的人來說，我認為他們感興趣的是：我的故事如何與我的工作相關(guān)聯(lián)。我是6個孩子中最小的，我的母親甚至沒有高中畢業(yè)，但我最終成為斯坦福大學的管理者，過著我認為偉大、充滿探索的生活。我并不特別，我只是想謀生，但我是在科學領(lǐng)域謀生。

我們沒有讓故事展現(xiàn)為：無論多么根本，科學都是關(guān)于你、關(guān)于你的家庭、關(guān)于我、關(guān)于我們的研究之旅。在我成長的地方，整個冬天都坐在那里講故事，到了夏天離開，第二年冬天又回來講同樣的故事，或許還會再多講一些。我們不會一遍又一遍地講這些科學故事，我們并沒有表現(xiàn)得像登月一樣為這些故事感到驕傲，我們必須再次談論這些故事。

資料來源 Quanta Magazine