不用生殖細(xì)胞能繁衍生命嗎

張?zhí)锟?/p>

今年6月21日，清華大學(xué)藥學(xué)院丁勝教授團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表題為“采用特定化學(xué)雞尾酒誘導(dǎo)小鼠全能干細(xì)胞”的論文，表明不用生殖細(xì)胞精子和卵子結(jié)合形成的受精卵和二細(xì)胞胚胎（全能干細(xì)胞），而對一些細(xì)胞進(jìn)行改造，就具有創(chuàng)造新生命的極大潛能。這一研究結(jié)果可能改寫人們對生命和生命產(chǎn)生過程的認(rèn)知。

那么，丁勝團(tuán)隊(duì)這個新發(fā)現(xiàn)的具體內(nèi)容是什么？和這個領(lǐng)域的前人工作相比，突破點(diǎn)在哪里？

研究團(tuán)隊(duì)將這類細(xì)胞命名為化學(xué)誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞（也稱TAW誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞，簡稱TAW細(xì)胞或誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞）。這些細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組和代謝組水平上類似于小鼠從最初受精卵細(xì)胞發(fā)育成的二細(xì)胞胚胎。

丁勝團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)，是尋找到了一種逆轉(zhuǎn)生命的新方法，而要理解丁勝團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)的突破性意義，還得讓我們先從這個領(lǐng)域的歷史講起。

生殖細(xì)胞是多細(xì)胞生物體內(nèi)能繁殖后代的細(xì)胞的總稱，包括從原始生殖細(xì)胞直到最終已分化的生殖細(xì)胞（精子和卵細(xì)胞）。這個術(shù)語由A·恩格勒和K·普蘭特爾于1897年提出，以與體細(xì)胞相區(qū)別。體細(xì)胞最終都會死亡，只有生殖細(xì)胞有延存至下代的機(jī)會。

我們知道，包括人在內(nèi)的哺乳動物，繁衍后代都是依靠兩性繁殖，由生殖細(xì)胞精子和卵子結(jié)合形成單細(xì)胞受精卵，然后是二細(xì)胞胚胎（全能干細(xì)胞），之后是4細(xì)胞、8細(xì)胞……胚胎（干細(xì)胞），再發(fā)育成內(nèi)、中、外三胚層，并形成各種器官、組織、肌肉、骨骼、神經(jīng)、大腦，產(chǎn)生一個完整的生命。

20世紀(jì)60年代，英國科學(xué)家約翰·戈登在對爪蟾的研究中發(fā)明了細(xì)胞核移植技術(shù)。1997年，威爾穆特進(jìn)一步采用這種技術(shù)培育出了克隆羊多利。

這個方法是將成體細(xì)胞的細(xì)胞核提取出來，再植入到一個去除細(xì)胞核的卵細(xì)胞中，重組為一個卵子，然后用電脈沖刺激這個重組卵子分化發(fā)育，形成胚胎，由此孕育出一個新生命。

克隆羊多利的主要遺傳信息來自芬蘭多塞特母綿羊。從芬蘭多塞特母綿羊的乳腺中取出乳腺細(xì)胞（一種體細(xì)胞），將其放入低濃度的營養(yǎng)培養(yǎng)液中，細(xì)胞停止分裂，進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，此細(xì)胞稱為供體細(xì)胞。將一頭黑面蘇格蘭母綿羊的未受精的卵細(xì)胞的細(xì)胞核去除，稱為受體細(xì)胞。然后將先前處理過的多塞特母綿羊的乳腺細(xì)胞的細(xì)胞核提取出來，植入去除細(xì)胞核的卵細(xì)胞中，并以電流刺激進(jìn)行細(xì)胞融合，形成可分化發(fā)育的胚胎。之后再將胚胎轉(zhuǎn)移到另一頭黑面蘇格蘭母綿羊的子宮內(nèi)進(jìn)一步分化和發(fā)育，最后分娩出多利。多利與多塞特母綿羊具有完全相同的外貌。

克隆羊多利的產(chǎn)生不需要經(jīng)過兩性繁殖，沒有生殖細(xì)胞精子的參與，但仍然需要作為生殖細(xì)胞的卵細(xì)胞。所以人們說，有了克隆技術(shù)，哺乳動物繁衍后代就不需要雄性參與，只需要特定的體細(xì)胞和雌性的卵細(xì)胞就可以了。

日本的山中伸彌因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞而與英國的約翰·戈登共同獲得2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

2006年，山中伸彌的團(tuán)體利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體向小鼠的成體細(xì)胞轉(zhuǎn)入4個基因——Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc，讓這些細(xì)胞重新編程，產(chǎn)生了類似小鼠胚胎干細(xì)胞的特征，這就是誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞。

2007年，日本的高橋一俊團(tuán)隊(duì)采用Oct3/4、Sox2、Klf4和c-Myc 4個基因誘導(dǎo)成人真皮成纖維細(xì)胞產(chǎn)生了人誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞。人誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞在形態(tài)、增殖、表面抗原、基因表達(dá)、多能細(xì)胞特異性基因的表觀遺傳狀態(tài)和端粒酶活性方面與人類胚胎干細(xì)胞相似。人誘導(dǎo)多潛能干細(xì)胞還可以在體外和畸胎瘤中分化成3種胚層的細(xì)胞類型。

2013年，北京大學(xué)教授鄧宏魁研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志發(fā)表研究成果，采用新的方式，即外源性化學(xué)小分子化合物將小鼠體細(xì)胞重新編程為化學(xué)誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞，這也是逆轉(zhuǎn)了細(xì)胞命運(yùn)。當(dāng)然使用的化學(xué)分子較多，有7種小分子化合物，能夠以高達(dá)0.2%的頻率從小鼠體細(xì)胞中生成化學(xué)誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞。這些細(xì)胞在基因表達(dá)譜、表觀遺傳狀態(tài)以及分化和種系傳遞的潛力方面與胚胎干細(xì)胞相似。

2022年4月13日，鄧宏魁研究團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表研究論文，證明利用化學(xué)誘導(dǎo)可將人類成體細(xì)胞誘導(dǎo)為多潛能干細(xì)胞。

這些研究表明，無論是小鼠還是人類的成體細(xì)胞，都有可能經(jīng)生物誘導(dǎo)因素和化學(xué)誘導(dǎo)因素生成多潛能干細(xì)胞，后者有可能生成各種器官和組織，甚至還有可能發(fā)育為生命個體。

這里我們必須來解釋一些概念。所謂干細(xì)胞（stem cell）的“干”，意為“莖干”“起源”，簡單來講，干細(xì)胞是一類具有無限的或者永生的自我更新能力的細(xì)胞，是能夠產(chǎn)生至少一種類型的、高度分化的子代細(xì)胞。

根據(jù)功能標(biāo)準(zhǔn)，干細(xì)胞可分為5類。

克隆羊多利。 圖片|北京日報

一是全能干細(xì)胞（來自精子和卵子的結(jié)合），它們能分化為胚胎以及胚胎外組織，如絨毛膜、卵黃囊、羊膜和尿囊。在人類和其他胚胎生物中，這些胚胎外組織能形成胎盤。全能干細(xì)胞能產(chǎn)生一個有完整功能的個體。

二是多潛能干細(xì)胞（也稱萬能干細(xì)胞），在受精卵發(fā)育約4天分化而來，它們可以自我繁殖和分化為3種胚層（外胚層、中胚層和內(nèi)胚層）之一。這3種胚層可以進(jìn)一步分化形成人體內(nèi)的所有組織和器官。

三是多能干細(xì)胞，它可以分化為成骨細(xì)胞、肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和軟骨細(xì)胞等。

四是寡能干細(xì)胞，與多能干細(xì)胞相似，但其分化能力有限，它們只能發(fā)育成緊密相關(guān)的細(xì)胞類型，如造血干細(xì)胞、內(nèi)胚層干細(xì)胞。

五是單能干細(xì)胞，是分化最有限的干細(xì)胞，如肌肉干細(xì)胞，它們只能分化成肌肉細(xì)胞類型。

從這里我們就可以知道，山中伸彌及后來研究者的工作，與克隆技術(shù)相比，擺脫了對生殖細(xì)胞卵細(xì)胞的依賴，但不管是用基因誘導(dǎo)，還是化學(xué)誘導(dǎo)，誘導(dǎo)出來的干細(xì)胞都是多潛能干細(xì)胞，還不是具有最高功能標(biāo)準(zhǔn)的全能干細(xì)胞。

講到這里，我們終于可以更好地理解丁勝團(tuán)隊(duì)這一次的工作了。

6月21日，丁勝團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表題為“采用特定化學(xué)雞尾酒誘導(dǎo)小鼠全能干細(xì)胞”的論文。在這項(xiàng)研究中，丁勝團(tuán)隊(duì)采用3種 化 學(xué) 分 子 TTNPB、1-Azakenpaullone、WS6（TAW）組成的“雞尾酒”藥物，將小鼠多能干細(xì)胞誘導(dǎo)成具備轉(zhuǎn)變?yōu)橥暾袡C(jī)體潛能的全能干細(xì)胞，而且可以在實(shí)驗(yàn)室中保持這些誘導(dǎo)的細(xì)胞的全能型（胚內(nèi)和胚外分化潛力）。這意味著，這類細(xì)胞既可以發(fā)育為一個完整的生命個體，也可以定向發(fā)育為各種器官和組織，如肝臟、骨骼、神經(jīng)等。

研究團(tuán)隊(duì)將這類細(xì)胞命名為化學(xué)誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞（也稱TAW誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞，簡稱TAW細(xì)胞或誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞）。這些細(xì)胞在轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組和代謝組水平上類似于小鼠從最初受精卵細(xì)胞發(fā)育成的二細(xì)胞胚胎。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵在于，研究團(tuán)隊(duì)選擇并篩選了數(shù)千個小分子，最終確定了3種小分子組合——TTNPB、1-Azakenpaullone、WS6（TAW）。TTNPB是一種維甲酸受體激動劑，是誘導(dǎo)細(xì)胞全能性的必要物質(zhì);1-Azakenpaullone是一種具有高度選擇性的抑制劑，可以抑制TTNPB在長期培養(yǎng)中帶來的副作用，促進(jìn)全能干細(xì)胞的自我更新;WS6分子可以促進(jìn)、維持全能干細(xì)胞穩(wěn)定。

之后，研究團(tuán)隊(duì)在體外測試了TAW細(xì)胞的分化潛力，并將其注射到小鼠早期胚胎中以觀察其體內(nèi)的分化潛力。結(jié)果顯示，這些細(xì)胞不僅在培養(yǎng)皿中表現(xiàn)出具備真正的全能干細(xì)胞的特點(diǎn)，而且在體內(nèi)還能分化成胚內(nèi)和胚外譜系，具備發(fā)育成胎兒和周圍卵黃囊和胎盤的潛力，這是普通全能干細(xì)胞的典型特征。

研究人員在轉(zhuǎn)錄組、表觀組和代謝組還發(fā)現(xiàn)，TAW細(xì)胞中數(shù)百個常見于全能干細(xì)胞的基因都已經(jīng)開啟，與多能干細(xì)胞相關(guān)的基因在細(xì)胞中則處于沉默狀態(tài)，整體情況與全能干細(xì)胞十分相近。

這些結(jié)果提示，高等生物必須通過兩性生殖細(xì)胞的結(jié)合才能繁衍后代的傳統(tǒng)生殖模式可能不是唯一，其他方式也可以繁衍后代。未來，TAW細(xì)胞在體內(nèi)或體外（如特定的器皿或人造子宮中）都可能發(fā)育為生命個體。

就如清華大學(xué)官網(wǎng)形容的那樣：“在未來，不止像小說中孫悟空身上的毫毛，動物身上的血液、皮膚等任何一處體細(xì)胞，都能通過重新編程為多能干細(xì)胞，進(jìn)而‘用藥’后成為能夠獨(dú)立形成生命的全能干細(xì)胞?！边@里我們也要看到，按目前丁勝團(tuán)隊(duì)提供的技術(shù)，拔下的汗毛的毛囊中需要有多能干細(xì)胞，而且需要通過TAW雞尾酒誘導(dǎo)發(fā)育成全能干細(xì)胞，再由全能干細(xì)胞發(fā)育為生命個體。

前面我們講了獲得2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的日本山中伸彌的工作，也講了其后包括中國科學(xué)家鄧宏魁研究團(tuán)隊(duì)的工作。那么，丁勝團(tuán)隊(duì)這次發(fā)現(xiàn)的不同之處和突破之處在哪里呢？

丁勝團(tuán)隊(duì)的研究與前面提到的以往研究相比，采用的技術(shù)路線不同。丁勝團(tuán)隊(duì)采用的是化學(xué)物質(zhì)（TAW雞尾酒）誘導(dǎo)，而日本研究人員采用的是生物因子（4種基因）誘導(dǎo)，雖然鄧宏魁團(tuán)隊(duì)也采用的是化學(xué)因子誘導(dǎo)，但化學(xué)因子不同。

更重要的是，丁勝團(tuán)隊(duì)獲得的是誘導(dǎo)的全能干細(xì)胞，是干細(xì)胞中的最高級，既可能孕育成生命個體，更可能分化和發(fā)育成各種組織器官;日本研究人員和鄧宏魁團(tuán)隊(duì)獲得的是誘導(dǎo)的多潛能干細(xì)胞，是次一級干細(xì)胞，可以發(fā)育成各種組織器官，理論上也可以孕育出個體生命，但比全能干細(xì)胞孕育成生命個體的可能性遜色一些。

現(xiàn)在，丁勝團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的全能干細(xì)胞也是在逆轉(zhuǎn)生命，即把小鼠的多能干細(xì)胞逆轉(zhuǎn)為全能干細(xì)胞，后者理論上既可以產(chǎn)生新生命個體，也能生成各種器官組織。

這一研究的意義在于，首先對生命的起源和過程有新的認(rèn)知，生命個體可以不從生殖細(xì)胞開始，而是通過把多能干細(xì)胞逆轉(zhuǎn)或培育為全能干細(xì)胞來孕育生命。

其次，通過這樣的方式和過程可以定向培育多種器官，如心臟、肝臟、腎臟等，以解決器官移植中一直難以解決的供體器官缺乏的問題。

與克隆羊多利的克隆方法相比，克隆技術(shù)也可以不通過兩性繁殖就繁衍生命，但是這個過程中仍然需要依賴生殖細(xì)胞卵子。而丁勝團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的全能干細(xì)胞，僅僅需要一種“神奇藥水”就可以從多能干細(xì)胞逆轉(zhuǎn)而來，不再需要生殖細(xì)胞卵子的參與。從這個意義上來講，今后只要獲得某一物種的多能干細(xì)胞或成體細(xì)胞即可創(chuàng)造新生命。

正如丁勝所說，這一研究為再次創(chuàng)造個體生命甚至加速不同物種的進(jìn)化創(chuàng)造了可能，標(biāo)志著全新的生命創(chuàng)造研究領(lǐng)域開啟，是生物學(xué)領(lǐng)域的一個“圣杯”。

當(dāng)然必須指出的是，這類研究在研究生命、治療疾病時的重要意義是毋庸置疑的，但如果要通過這種技術(shù)來創(chuàng)造新生命，需要解決許多倫理和法律問題。從動物克隆的實(shí)踐來看，不通過兩性繁殖用克隆技術(shù)繁衍動物后代是可行的，因此，利用這種新技術(shù)在動物中創(chuàng)造新生命，似乎也有很大的發(fā)展和研究空間。

然而，國際社會一直對克隆人有著嚴(yán)格的禁止，如果有人想用丁勝團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)，在創(chuàng)造人類新生命方面有什么“想法”，在倫理和法律上肯定是行不通的。正如丁勝教授所說，這一發(fā)現(xiàn)帶來的“許多可能性”科學(xué)話題將會引起爭議，尤其是社會道德與倫理性的討論?！霸谶^去的10年里，科學(xué)界沒有看到對人類胚胎研究的任何較寬松的限制?！倍僬f，他們此次的論文研究過程嚴(yán)格遵循了科學(xué)倫理框架。

◎ 來源|北京日報