日本科學家用小鼠的皮膚細胞成功地培育出了能夠產(chǎn)生后代的精子和卵細胞，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，也成了一個問題。

從去年10月開始，京都大學的分子生物學家林克彥（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》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胞，在體外培育了原始生殖細胞（primordial germ cells，PG細胞），用于發(fā)育生物學相關的研究。為了證明人工培育的PG細胞和生物體自然形成的并無區(qū)別，他將其培育成了卵細胞，再經(jīng)體外受精育成小鼠。林說，小鼠的出生只是個“副反應”。

然而“副反應”卻也意味深長：利用不育婦女的皮膚細胞“制造”受精卵，或許將就此成為現(xiàn)實。同時，由于男性的體細胞能夠制造卵細胞，女性的細胞也能制造精子，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讓林克彥和他的上級教授齊藤通紀（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胞的產(chǎn)生過程，并嘗試在體外進行人工模擬。

意外的驚喜

“干細胞”這個詞，你也許并不陌生。它們是未經(jīng)分化的細胞，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胞，卻一直是個難題。不同于一般體細胞，每個生殖細胞內只含有一套染色體。這也意味著，生殖細胞是通過減數(shù)分裂形成的，而不是通常的有絲分裂。

在小鼠體內，生殖細胞在胚胎發(fā)育的一周之后開始出現(xiàn)，zui初的PG細胞大約有40個。正是這個微小的細胞團，而后一步步形成了母鼠體內成千上萬的卵細胞，以及公鼠體內每天產(chǎn)生的以百萬計的精子。齊藤通紀想要弄清楚，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，以及特定的表達時間，在PG細胞的發(fā)育中起到了關鍵的作用。利用這些基因作為標記，他得以挑選出PG細胞，并且研究它們身上的變化。

2009年，齊藤在神戶的理化學研究所（RIKEN Center for Developmental Biology）的實驗室發(fā)現(xiàn)，當培養(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，就能將小鼠胚胎細胞轉化為PG細胞。Bmp4濃度足夠時，轉化率幾乎達到了100%。這個結果來得如此順利，以至于他自己也不敢相信。

齊藤這種謹慎觀察的實驗風格，和同領域的其他科學家不太一樣。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，雖然能夠得到目標細胞，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胞，也就是胚胎發(fā)育*周末期，出現(xiàn)在胚胎一端的杯狀細胞團，恰好在PG細胞出現(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細胞的細胞系。

用干細胞培養(yǎng)生殖細胞

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

林加入齊藤在京都大學的小組之后，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細胞的嘗試沒有成功，幸而他很快轉變了方向。他在查閱文獻中發(fā)現(xiàn)，在一種關鍵調節(jié)分子和生長因子的作用下，胚胎干細胞能夠在體外轉化為外胚層細胞的同源細胞。胚胎干細胞已經(jīng)能夠在體外大量培養(yǎng)，這啟發(fā)了林：可以從胚胎干細胞出發(fā)，先分化為外胚層細胞，再用齊藤的方法培育為PG細胞。

這次他成功了。為了表明這些PG細胞的有效性，林得證實，它們確實能夠分化為可育的精子或卵細胞。這一過程的原理非常復雜而未知，林決定讓動物體來完成這件事情，于是他將PG細胞注入了不育公鼠的睪丸。齊藤認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胞中，再把受精卵植入代孕母鼠體內。*批“人造”小鼠隨后誕生，有雌鼠和雄鼠，健康且可育。

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

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

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

巨大的科研價值

除了京都大學的研究組之外，也有其他研究人員在嘗試人工制造PG細胞，但他們并不是用于培育小鼠。人工PG細胞對實驗胚胎學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物質暴露，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，或者細胞表現(xiàn)型的變化。

表觀遺傳的標記在胚胎發(fā)育過程中，能夠指導細胞朝不同方向發(fā)展，然而PG細胞卻很特殊，當它們發(fā)育為精子和卵細胞的時候，甲基化的標記被抹掉了。正是由于這一點，PG細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細胞，研究幾種酶在表觀遺傳調控中的作用，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細胞了。

遙遙無期的研究應用

盡管PG細胞發(fā)育成的小鼠看上去是健康可育的，但PG細胞本身看上去卻不*正常，第二代的PG細胞常常會產(chǎn)生易碎、變形或者異位的卵細胞。受精之后，有的卵細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該是二倍體。另外，人工PG細胞的體外受精成功率只有通常情況的1/3。哈佛大學醫(yī)學院教授張毅也發(fā)現(xiàn)，人工PG細胞不能夠抹去表觀遺傳的標記。

在通往研究應用的道路上，*的技術問題在于，如何在體外制造成熟的精子和卵細胞，而不用把人工PG細胞植入睪丸和卵巢內。林正在試圖解碼這個過程中起作用的信號分子，一旦成功，就能夠利用它們去誘導PG細胞的體外分化。

更為困難的挑戰(zhàn)是如何將小鼠實驗應用于生物。京都大學的研究小組已經(jīng)開始用對付小鼠細胞的方法來處理人體iPS細胞，但林和齊藤都明白，生物的信號分子系統(tǒng)和小鼠是*不同的。并且，用于實驗的小鼠胚胎細胞相對容易獲取，生物胚胎細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。林說，如果一切順利的話，他們能夠在5-10年內在猴子身上重復小鼠實驗，之后經(jīng)過一些調整，有望應用于生物。

然而，利用PG細胞進行不育治療仍然是個很大膽的做法，包括齊藤在內的很多科學家，都呼吁人們謹慎。iPS細胞和胚胎干細胞都很容易在培養(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能夠讓醫(yī)生準確地挑出好的胚胎，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，男性的皮膚細胞也能夠用來制造卵細胞，從而與精子結合，然后在代孕媽媽體內發(fā)育成胎兒。有些人懷疑其可能性——辛克斯頓團（theHinxton Group），一個討論干細胞倫理的科學家的協(xié)會就表示，從男性的XY體細胞中產(chǎn)生卵細胞，以及從女性的XX體細胞中產(chǎn)生精子，都是不可能的。

齊藤制造的精子來自雄鼠，卵細胞來自雌鼠，但是他認為反過來也沒有問題。PG細胞沒有性別之分，分化為精子還是卵細胞，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)感受到了來自不育和日本財團的壓力。這種技術，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。“我覺得這是很遙遠的事，我不想給人們無謂的念想。”