不用生殖細胞能繁衍生命嗎

張田勘

今年6月21日，清華大學藥學院丁勝教授團隊在國際學術期刊《自然》發表題為“采用特定化學雞尾酒誘導小鼠全能干細胞”的論文，表明不用生殖細胞精子和卵子結合形成的受精卵和二細胞胚胎（全能干細胞），而對一些細胞進行改造，就具有創造新生命的極大潛能。這一研究結果可能改寫人們對生命和生命產生過程的認知。

那么，丁勝團隊這個新發現的具體內容是什么？和這個領域的前人工作相比，突破點在哪里？

研究團隊將這類細胞命名為化學誘導的全能干細胞（也稱TAW誘導的全能干細胞，簡稱TAW細胞或誘導的全能干細胞）。這些細胞在轉錄組、表觀基因組和代謝組水平上類似于小鼠從最初受精卵細胞發育成的二細胞胚胎。

丁勝團隊新發現的實質，是尋找到了一種逆轉生命的新方法，而要理解丁勝團隊新發現的突破性意義，還得讓我們先從這個領域的歷史講起。

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

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

20世紀60年代，英國科學家約翰·戈登在對爪蟾的研究中發明了細胞核移植技術。1997年，威爾穆特進一步采用這種技術培育出了克隆羊多利。

這個方法是將成體細胞的細胞核提取出來，再植入到一個去除細胞核的卵細胞中，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胞（一種體細胞），將其放入低濃度的營養培養液中，細胞停止分裂，進入靜止狀態，此細胞稱為供體細胞。將一頭黑面蘇格蘭母綿羊的未受精的卵細胞的細胞核去除，稱為受體細胞。然后將先前處理過的多塞特母綿羊的乳腺細胞的細胞核提取出來，植入去除細胞核的卵細胞中，并以電流刺激進行細胞融合，形成可分化發育的胚胎。之后再將胚胎轉移到另一頭黑面蘇格蘭母綿羊的子宮內進一步分化和發育，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。

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

日本的山中伸彌因為發現了誘導的多潛能干細胞而與英國的約翰·戈登共同獲得2012年諾貝爾生理學或醫學獎。

2006年，山中伸彌的團體利用逆轉錄病毒載體向小鼠的成體細胞轉入4個基因——Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc，讓這些細胞重新編程，產生了類似小鼠胚胎干細胞的特征，這就是誘導多潛能干細胞。

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

2013年，北京大學教授鄧宏魁研究團隊在《科學》雜志發表研究成果，采用新的方式，即外源性化學小分子化合物將小鼠體細胞重新編程為化學誘導的多潛能干細胞，這也是逆轉了細胞命運。當然使用的化學分子較多，有7種小分子化合物，能夠以高達0.2%的頻率從小鼠體細胞中生成化學誘導的多潛能干細胞。這些細胞在基因表達譜、表觀遺傳狀態以及分化和種系傳遞的潛力方面與胚胎干細胞相似。

2022年4月13日，鄧宏魁研究團隊在《自然》雜志發表研究論文，證明利用化學誘導可將人類成體細胞誘導為多潛能干細胞。

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

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

根據功能標準，干細胞可分為5類。

克隆羊多利。 圖片|北京日報

一是全能干細胞（來自精子和卵子的結合），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。全能干細胞能產生一個有完整功能的個體。

二是多潛能干細胞（也稱萬能干細胞），在受精卵發育約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、中胚層和內胚層）之一。這3種胚層可以進一步分化形成人體內的所有組織和器官。

三是多能干細胞，它可以分化為成骨細胞、肌細胞、脂肪細胞和軟骨細胞等。

四是寡能干細胞，與多能干細胞相似，但其分化能力有限，它們只能發育成緊密相關的細胞類型，如造血干細胞、內胚層干細胞。

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

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

講到這里，我們終于可以更好地理解丁勝團隊這一次的工作了。

6月21日，丁勝團隊在國際學術期刊《自然》發表題為“采用特定化學雞尾酒誘導小鼠全能干細胞”的論文。在這項研究中，丁勝團隊采用3種 化 學 分 子 TTNPB、1-Azakenpaullone、WS6（TAW）組成的“雞尾酒”藥物，將小鼠多能干細胞誘導成具備轉變為完整有機體潛能的全能干細胞，而且可以在實驗室中保持這些誘導的細胞的全能型（胚內和胚外分化潛力）。這意味著，這類細胞既可以發育為一個完整的生命個體，也可以定向發育為各種器官和組織，如肝臟、骨骼、神經等。

研究團隊將這類細胞命名為化學誘導的全能干細胞（也稱TAW誘導的全能干細胞，簡稱TAW細胞或誘導的全能干細胞）。這些細胞在轉錄組、表觀基因組和代謝組水平上類似于小鼠從最初受精卵細胞發育成的二細胞胚胎。

這項研究的關鍵在于，研究團隊選擇并篩選了數千個小分子，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，是誘導細胞全能性的必要物質;1-Azakenpaullone是一種具有高度選擇性的抑制劑，可以抑制TTNPB在長期培養中帶來的副作用，促進全能干細胞的自我更新;WS6分子可以促進、維持全能干細胞穩定。

之后，研究團隊在體外測試了TAW細胞的分化潛力，并將其注射到小鼠早期胚胎中以觀察其體內的分化潛力。結果顯示，這些細胞不僅在培養皿中表現出具備真正的全能干細胞的特點，而且在體內還能分化成胚內和胚外譜系，具備發育成胎兒和周圍卵黃囊和胎盤的潛力，這是普通全能干細胞的典型特征。

研究人員在轉錄組、表觀組和代謝組還發現，TAW細胞中數百個常見于全能干細胞的基因都已經開啟，與多能干細胞相關的基因在細胞中則處于沉默狀態，整體情況與全能干細胞十分相近。

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

就如清華大學官網形容的那樣：“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胞，都能通過重新編程為多能干細胞，進而‘用藥’后成為能夠獨立形成生命的全能干細胞?！边@里我們也要看到，按目前丁勝團隊提供的技術，拔下的汗毛的毛囊中需要有多能干細胞，而且需要通過TAW雞尾酒誘導發育成全能干細胞，再由全能干細胞發育為生命個體。

前面我們講了獲得2012年諾貝爾生理學或醫學獎的日本山中伸彌的工作，也講了其后包括中國科學家鄧宏魁研究團隊的工作。那么，丁勝團隊這次發現的不同之處和突破之處在哪里呢？

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

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

現在，丁勝團隊創造的全能干細胞也是在逆轉生命，即把小鼠的多能干細胞逆轉為全能干細胞，后者理論上既可以產生新生命個體，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知，生命個體可以不從生殖細胞開始，而是通過把多能干細胞逆轉或培育為全能干細胞來孕育生命。

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胞卵子。而丁勝團隊創造的全能干細胞，僅僅需要一種“神奇藥水”就可以從多能干細胞逆轉而來，不再需要生殖細胞卵子的參與。從這個意義上來講，今后只要獲得某一物種的多能干細胞或成體細胞即可創造新生命。

正如丁勝所說，這一研究為再次創造個體生命甚至加速不同物種的進化創造了可能，標志著全新的生命創造研究領域開啟，是生物學領域的一個“圣杯”。

當然必須指出的是，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來創造新生命，需要解決許多倫理和法律問題。從動物克隆的實踐來看，不通過兩性繁殖用克隆技術繁衍動物后代是可行的，因此，利用這種新技術在動物中創造新生命，似乎也有很大的發展和研究空間。

然而，國際社會一直對克隆人有著嚴格的禁止，如果有人想用丁勝團隊的新技術，在創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，這一發現帶來的“許多可能性”科學話題將會引起爭議，尤其是社會道德與倫理性的討論?！霸谶^去的10年里，科學界沒有看到對人類胚胎研究的任何較寬松的限制。”丁勝說，他們此次的論文研究過程嚴格遵循了科學倫理框架。

◎ 來源|北京日報