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人何以為人?跨越百年時光、倫理界限,科學家終證實,人類胚胎中存在調控胚胎發(fā)育的“組織者”細胞

摘要:Spemann利用嬰兒的頭發(fā)將發(fā)育中的蠑螈早期胚胎一分為二,本以為按照當時流行的生物學理論,這兩團細胞應該各長成半個胚胎,可是呢,它們卻分別長成了兩只完整的蠑螈。

人,何以為人?

本周,《自然》雜志發(fā)布了一項絕對可以稱為胚胎學里程碑的研究。由洛克菲勒大學AHBrivanlou教授帶領的學者團隊,終于從人胚胎干細胞誘導得到了調控胚胎發(fā)育的神秘的“組織者細胞”,該細胞能夠向其他細胞發(fā)送信號以決定這些細胞的“命運”。當科學家們激動地把“組織者細胞”植入雞胚胎,雞胚胎竟然長出了第二條中樞神經——這是單個生命的起源![1]
 
這是人類學者,首次在包括自己在內的靈長目動物中證實了“組織者細胞”的存在,也是首次得以窺探單個人類生命的起源!科學界的百年夙愿至此得償!
 
是的,這個故事還要從100年前說起。
 
20世紀初,有一位名為HansSpemann的科學家,他進行了一項很有趣的實驗。[2]
 
Spemann利用嬰兒的頭發(fā)將發(fā)育中的蠑螈早期胚胎一分為二,本以為按照當時流行的生物學理論,這兩團細胞應該各長成半個胚胎,可是呢,它們卻分別長成了兩只完整的蠑螈。通過調整頭發(fā)的松緊,不徹底分離早期胚胎,他甚至還得到了不同程度的蠑螈“連體嬰”。
 
這反映了一個很關鍵的問題——胚胎,并不是從受精卵開始就能被看作一個個體的(想想同卵雙胞胎),在發(fā)育過程的某一個節(jié)點,它從一團細胞變成了一個生命。
 
所以!到底是什么時候!發(fā)生了什么!對于求知欲強的人來說簡直抓心撓肝了!
 
Spemann和他的學生HildeMangold展開了相關的研究。胚胎早期是一團緊緊的細胞,在進入原腸期的時候,才會形成多層的、具有對稱結構的復雜組織。在這個階段,胚胎上會形成一條溝壑,名叫原條(primitivestreak)。它是胚胎細胞表現(xiàn)出不同分化傾向的關鍵。
 
原條是胚胎發(fā)育過程中十分重要的結構,它將成為個體的左右軸,以其為中心生長出中樞神經、各種組織和器官,逐漸發(fā)育成完整個體
 
就在蠑螈胚胎原條的附近,Spemann和Mangold發(fā)現(xiàn)了一組特殊的細胞。這組細胞有多特殊?就這么說吧,把這團細胞剪下來,“粘”到另一個胚胎上,這個位置就會生長出另一條中樞神經,最終長成兩條連體蠑螈!
 
Spemann把這種細胞叫做“組織者細胞”(Organizer,也被稱為Spemann-Mangoldorganizer),意思就是說這些細胞是胚胎的組織中心,它們會引導其他的細胞根據(jù)需要發(fā)育,這個過程即為“胚胎誘導”。
 
因為這項貢獻,Spemann于1935年獲得了諾貝爾生理學或醫(yī)學獎,遺憾的是Mangold在1924年因意外去世了,不然領獎臺上也應該有她一席之地。順便一說,Spemann也是第一個進行兩棲類體細胞核移植的人,他還發(fā)明了玻璃針等微操工具,為發(fā)育生物學的前進做出了很大的貢獻。
 
在Spemann之后,科學家們陸續(xù)在禽類、青蛙和嚙齒類的胚胎中找到了“組織者細胞”,但是這種神奇的細胞是否存在于人類胚胎卻始終是個未知數(shù)。
 
科學遇到了倫理的考驗。
 
“組織者細胞”的出現(xiàn)在原條附近,而原條的形成恰恰位于一個關鍵的時間點上——14天。正如我們前文所說,原條出現(xiàn)在胚胎從一團細胞到具有復雜結構的關鍵過渡期,生命倫理委員會認為,在此之前,我們尚不清楚胚胎是否會形成一個或多個生命,也就是說這時的胚胎還不能夠稱之為“個體”;但是在14天時,原條形成了,我們已經能夠確定這個胚胎只會長成一個個體了,它就正式成為了“生命”,成了一個人類。[3]
 
在倫理學上,我們是不能夠用人體做實驗的,在部分國家,體外培育超過14天的人類胚胎是違法的行為。
 
其實在2016年,Brivanlou教授就進行過極限地嘗試了。他們在實驗室里把人類胚胎培養(yǎng)到了第13天,也確實發(fā)現(xiàn)了一些以前沒有的細胞發(fā)育現(xiàn)象,但是還是沒有找到他們最想要看到的組織者細胞。最終,研究者們不得不在胚胎“長出手腳”之前終止實驗。[4]
 
而今天我們看到的這項研究,可以說是研究者耍了一個小聰明。既想要胚胎里的組織,又不能直接從胚胎獲取,那就只能求助于胚胎干細胞(hESCs)了!
 
從很早之前[5],研究者們就一直在摸索誘導胚胎干細胞升成早期胚胎結構的方法。胚胎的形成依賴于復雜的信號通路,包括Nodal、Wnt等等我們熟知的老朋友。在最新的研究中,研究者們終于確定,使用Nodal和Wnt這兩種重要的信號通路,即可誘導胚胎干細胞生成具有組織者細胞特征的組織。
 
當把這些組織移植到12小時齡的雞胚胎(相當于14天齡的人類胚胎)時,令人激動的事情發(fā)生了!隨著胚胎的生長,這些組織者細胞引導雞胚胎細胞分化并形成了第二個神經系統(tǒng)!除了這種雜交胚胎并不能孵化之外,實驗結果與1924年Spemann進行的蠑螈實驗近乎完全一致!
 
這項研究獲得了許多發(fā)育生物學家的稱贊。這種類似于胚胎的組織能夠幫助研究者了解,在胚胎發(fā)育過程中到底發(fā)生了什么,到底是什么讓這些細胞知道自己要往何處去。這項技術讓研究者跨越了14天的倫理限制。
 
英國劍橋大學的發(fā)育生物學家BenSteventon說,這種新方法可以用于研究人類于其他物種在早期發(fā)育過程中,細胞間信號傳遞的變化。
 
德國霍恩海姆大學的學者MatinBlum則表示,這項技術也避免了實驗室內于人胚胎相關的倫理問題,“這是一項真正的進步,我們不需要使用真正的胚胎。”
 
不過研究者Brivanlou教授本人倒是不太同意這種看法,他認為真正的胚胎是無法被任何取代的,“當我們嘗試建立模型,我們所做的任何事情都是在過度簡化它。”[6]
 
Brivanlou教授的下一步目標是確定組織者細胞到底如何影響它的鄰居們,這將會為再生醫(yī)學做出貢獻。
 
“人類胚胎干細胞和卵子具有生命的所有信息,這是多米諾骨牌的第一塊。”Brivanlou教授說,這是幾代人的事業(yè)。[7]
 
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