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科學家成功複製人類幹細胞

陸子鈞
・2013/05/16 ・1694字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 522 ・七年級

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在複製羊桃莉誕生的15年之後,科學家終於成功利用同樣的技術複製出人類胚胎幹細胞(embryonic stem cells, ESCs)。因為這樣複製出的幹細胞和捐贈者的遺傳組成一樣,未來可以應用在治療從糖尿病到帕金森氏症等多種疾病。

複製桃莉羊的技術,可以製造出和患者相容的胚胎幹細胞,但是這幾年許多科學家嘗試複製人類胚胎幹細胞都失敗,而且一直延伸出道德爭論還有學術醜聞,大多數的研究團隊都紛紛放棄了這麼嚴苛的技術。

奧勒崗健康與科學大學(Oregon Health and Science University)的生殖生物學專家米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov),發表在本週《Cell》的研究報告[1]表示,他和研究團隊成功製造出與患者相容的胚胎幹細胞,而且研究團隊積極證明這項技術有後續發展的價值。幹細胞複製技術的爭議又再度點燃。

「治療性複製」(Therapeutic cloning)或稱作「體細胞細胞核轉植」(somatic-cell nuclear transfer, SCNT)就和1996年複製桃莉羊的方法一樣(如下圖):捐贈的體細胞-像是皮膚細胞的細胞核,植入已經去除細胞核的未受精卵中;等到這顆帶有外來細胞核的卵發育到了囊胚(blastocyst)時期,就培養成穩定的細胞株。這支細胞株的遺傳組成和捐贈者相同,而且可以分化成任何種類的人類體細胞。

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這幾年許多科學家嘗試複製人類胚胎幹細胞,但是都沒有成功。最有名的就是南韓首爾大學(Seoul National University)的黃禹錫,他在2004年及2005年宣稱從百餘顆人類卵細胞完成體細胞細胞核轉植,但是後來都被證實研究報告造假。另外,2007年米塔利波夫在猴子上完成體細胞細胞核轉植[2]

米塔利波夫和研究團隊去年九月開始這項研究。十二月,一些錯誤的開始,四株研究團隊複製的胚胎開始成長。團隊中的日籍科學家立花真仁(Masahito Tachibana)博士,緊張地取出1mm平方的細胞樣本到新的培養盤上培養,細胞仍持續生長,也就表示細胞株複製成功了!米塔利波夫馬上取消假期,他說:「我非常樂意在聖誕假期期間培養細胞;我的家人明白的。」

在成功之前,研究團隊遇到一點技術問題:研究團隊利用不具活性的仙台病毒(Sendai virus)使卵細胞和體細胞融合,再用電擊讓胚胎開始發育。當研究團隊第一次嘗試製造出囊胚時,沒有穩定的細胞株,後來他們加入了咖啡因,避免卵細胞過早活化。

研究團隊使用的都不是新技術,但是他們在複製人類幹細胞之前,利用超過1000顆猴子卵細胞測試了不同的組合。紐約幹細胞基金會(New York Stem Cell Foundation)的專家艾格理(Dieter Egli)說:「他們大大改進了幹細胞複製的操作流程。這是大新聞!而且我相信研究成果能令人信服。」

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研究只花了幾個月就完成。米塔利波夫說:「大家說,你在2007年就在猴子上完成了研究,為什麼過了六年才在人類身上成功?」他解釋,大多數的時間都花在美國的胚胎研究管理條例上。

研究團隊還進行了一連串的實驗,證明他們能夠從不同種類的體細胞轉植幹細胞。第一支細胞株是從一名患有罕見萊氏症(Leigh syndrome)的嬰兒的皮膚細胞轉植而成,證明了較成熟的體細胞也能轉植成幹細胞。

這樣的技術不需要太多的卵子,研究團隊只用了來自一位捐贈者的15顆卵細胞就製造出細胞株,另外5顆來自其他捐贈者的卵細胞則製造了其他細胞株。研究團隊使用的方法非常有效率,也能說服大家「體細胞細胞核轉植技術」仍值得研究。卵子捐贈者能收到美金3000到7000不等的補償金,這對研究來說不只是大開銷,也有生物倫理、風險、以及器官交易的問題。

由於體細胞細胞核轉植技術要破壞胚胎,來自美國國立衛生研究院(National Institutes of Health, NIH)的研究經費無法運用在相關的研究,阻礙了後續臨床的發展。

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另一項阻礙是大眾擔心幹細胞複製技術會被用來製造複製人。基因政策研究中心(Genetics Policy Institute)的主任席格(Bernard Siegel)說,有時候科學家會煽動「複製激情」(cloning hysteria)指出對手有能力複製人類,但是十幾年來,米塔利波夫的研究團隊都複製猴子失敗。真仁博士說,下一步就是向大眾解釋:為什麼體細胞細胞核轉植無法複製出人類。

 

資料來源:Human stem cells created by cloning. NatureNews [15 May 2013]

參考資料:

  1. Tachibana, M. et al. Cell http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.006 (2013).
  2. Byrne, J. A. et al. Nature 450, 497–502 (2007).

 

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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我們可以怎麼運用幹細胞?克隆技術可以解決同性生殖問題嗎?
賴昭正_96
・2023/12/27 ・5121字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

因被極有彈性的膜和果凍層包圍著,非洲爪蟾的卵與其它兩棲動物的卵不同,使得微量移液器無法穿透,所以我第一次嘗試在非洲爪蟾中移植細胞核完全不成功。⋯⋯如果實驗——或其他事情——沒有立即成功,請不要放棄!

——格登(John Gurdon)2012 年諾貝爾醫學獎

在「認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡,筆者提到細胞是生命的基本單位,它主要由基因組(genome)、細胞膜(cell membrane)、細胞質(cytoplasm)、和核醣體 (ribosome)組成。細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方,為細胞中的微觀工廠;核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶,因此有營養系統;不需宿主活細胞,即可自行繁殖。

高等動植物的細胞不像細菌,具有真正的細胞核(nucleus),故稱為真核細胞(eukaryotic cell)。它們沒有細菌的「質粒」(plasmid),但卻有像消化系統一樣的「線粒體」(mitochondria)來吸收營養,分解營養,並為細胞創造能量豐富的分子。

幹細胞

在大多數物種中,只有兩種完全不同類型稱為「配子(gamete)」的生殖細胞:卵子與精子。卵子是生物體中最大的細胞,而精子則是最小的;它們可以說是「發育不完全」的精簡細胞:卵子只具有細胞核及細胞質,精子則只具有細胞核及粒線體;它們的細胞核內均只有一半的染色體(稱為「單倍體基因組」)。儘管如此,卵子還是是最引人注目的動物細胞:因為一旦被精子活化(精子與卵子融合,稱為「受精」1),它可以在幾週內產生一個全新的個體。

圖/作者提供

人類的卵子受精後約五到六天,就會分裂形成大約一百個細胞的囊胚(blastocyst),見上圖右半。囊胚由內部細胞群(inner cell mass)及囊胚外層(trophectoderm)組成:前者將繼續分裂發展成胚胎(embryo 2),後者則將附著在子宮內膜成為胎盤 (placenta),保護和滋養發育中的胚胎。因為受精卵(zygote)可以分裂產生所有的細胞(包括胎盤),故稱為「全能幹細胞(totipotent stem cell)」。內部細胞群的細胞則因能繼續分裂發展成生殖細胞及體細胞(somatic cell)的人體各部位器官,故稱為「多能幹細胞 (pluripotent stem cell)」,又稱為「胚胎幹細胞(embryo stem cell)」,簡寫為 ES。

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生殖細胞及體細胞一旦形成後,就有其特定「專業化」的功能,不能再如幹細胞一樣轉換成其它細胞。因此自 20 世紀初以來,一直困擾細胞生物學家的問題是:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?一個受精卵如何會在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞呢?這些體細胞又如何記得繼續分裂成同樣的體細胞呢?

布里格斯(Robert Briggs)和金 (Thomas King)於 1952 年在活體生物體中進行了首次青蛙核移植 (nuclear transfer)實驗:將一個早期胚胎細胞核移植到去核的卵細胞中。他們發現不同發展階段的胚胎核可以造成非常不同的結果:早一天的可以繼續發展成青蛙,晚一天的則胎死腹中。此結果顯然回答了第一個問題:細胞核的遺傳物質在開始分化時會發生不可逆轉的改變,如重新排列遺傳物質使其變得更加專業化、永遠有效地關閉不使用的基因、甚或拋棄數百個不再需要的基因等等。

克隆教父——約翰.格登爵士

格登(John Gurdon)1933 年出生於英國漢普郡(Hampshire)迪彭霍爾(Dippenhall)。就讀於伊頓公學 (Eton College)寄宿學校時,成績不是特別好。在上了一學期的生物學後,老師寫了一份報告說:「我相信格登想成為科學家,但從目前的情況來看,這是相當可笑的。如果他不能學習簡單的生物學事實,他就沒有機會從事專家的工作,這對他和那些必須教他的人來說都純粹是浪費時間。」所以格登畢業後申請了牛津大學的古典學課程,但招生導師因為缺少理科生,告訴他說:「我很高興地告訴你,我們可以接受你,但有兩個條件:一是你得立即開始,第二是你不要學習你參加入學考試的科目。」就這樣,格登終於追求到他的夢想,最後在牛津大學取得發育生物學博士學位。你說人生不是一連串的巧合與意外麼?

約翰.伯特蘭.格登爵士(Sir John Bertrand Gurdon) 圖/wikimedia

1956 年格登開始了核移植的博士研究:但不是移植正在發展中的胚胎細胞核,而是移植已經發展完全的體細胞核到去核的未受精卵內——稱為「體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer,SCNT,見上圖左半 )」。格登早期得到的結論因與布里格斯和金的結論相左,因此受到了強烈的批評。1962 年,格登將西部矮爪蛙(學名 Hymenochirus curtipes)的腸細胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中,竟然發現這種經過改造的卵細胞可以長成一隻新的西部矮爪蛙!這毫無疑問地證明了:(1) 成熟的細胞核仍含有形成所有類型細胞所需的遺傳訊息(即與受精卵具有同樣的基因),(2) 幹細胞在發展中專業化成體細胞是可逆的。

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克隆哺乳動物

格登成功地從體細胞核複製/克隆 (clone) 了兩棲類動物青蛙,當然立刻有科學家想到是否可以用同樣的方法來複製哺乳動物。可是為什麼要等到 30 多年才出現克隆的多莉羊 (Dolly the sheep 3 ) 呢?原來格登選青蛙是有其理由的:兩棲類動物的卵子都是透明、且非常大,一產就大量排出體外。即使這樣,他的成功率還是低的;還好正如筆者在「愛因斯坦所相信的上帝,是你以為的那位上帝嗎?」一文裡所說的「要證明上帝存在比證明祂不存在簡單多」,格登只要在幾百個實驗中不被合理質疑地克隆出一隻青蛙就夠了。

多莉的生命始於試管中的一個單細胞(取自芬蘭多塞特羊的乳腺細胞核和蘇格蘭黑臉羊的去核卵細胞),六天後在實驗室確認正常發育後,胚胎就被轉移到代孕母親體內,於 1996 年 7 月 5 日出生。但在英國羅斯林研究所 (Roslin Institute) 發表論文前,白臉多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的誕生後,全世界的媒體紛紛湧向羅斯林去一睹這只如今聞名的綿羊風采,也引發了媒體關於克隆倫理的爭論。

現在大部分先進國家都已經禁止克隆人的實驗,因此各地的實驗室大都只克隆人類胚胎細胞,作為研究及治療用。2018 年,中國科學院上海神經科學研究所首次利用 SCNT 成功克隆靈長類動物,誕生了兩隻名為「中中」和「華華」的食蟹雌獼猴。

誘導多能幹細胞

到了 21 世紀初,研究胚胎幹細胞的科學家已經鑑定出二十多個似乎對胚胎幹細胞至關重要的基因。這些基因的功能不一定相同:有些對於自我更新很重要(即一個 ES 細胞分裂形成兩個 ES 細胞),而另一些則用來阻止幹細胞分化。科學家也找到如何在培養皿中維持多能胚胎幹細胞的方法,及如何改變培養條件使其分化成各種細胞類型,如肝細胞、心臟細胞、和神經元等。但他們能否利用這些資訊將完全分化成熟的體細胞變成像胚胎一樣的幹細胞嗎?

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2006 年,日本京都大學的山中伸彌(Shinya Yamanaka)和博士後研究員高橋(Kazutoshi Takahashi)終於宣稱只要透過其中四個基因,即可將小鼠纖維母細胞(只能產生其它纖維母細胞)重新編程 (reprogramming),成為能產生多種不同類型細胞的多能幹細胞。他們將這樣製造出來的幹細胞稱為「誘導多能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)」。山中伸彌與格登兩人因研究出如何將專業化的成熟細胞重新編程使其具有多能性,而一起榮獲 2012 年諾貝爾醫學獎。

重新編程

精子和卵子像體細胞一樣,也是由受精卵分化出來了,所以應該是一個高度專業化的細胞,但它們融合成受精卵後又變成全能幹細胞,因此顯然融合後的細胞核被卵子微觀工廠的細胞質重新編程,失去大部分分化時的分子記憶(尤其是精子核,變成一張幾乎完全空白的畫布)。格登與複製綿羊的維爾穆特(Ian Wilmut)和坎貝爾(Keith Campbell)就是利用了這種重新編程現象,將體細胞核插入卵細胞質中創造出了新的克隆。

卵子的細胞質顯然就像一個巨大的分子橡皮擦,它能非常迅速地在 36 小時內完成這個重新編程過程,擦掉了細胞分裂過程中專業化的修飾痕跡(imprinting)。在提高山中伸彌之體細胞重新編程為 iPSC 細胞的效率(遠低於1%)和速度(需要數週)上,分子生物學家雖然已經取得了很大進展,但與自然界一比,仍相差甚遠。

筆者寫這篇文章的動機事實上是出於想解救同性戀的傳宗接代問題。研究顯示雖然不存在單一的同性戀基因,但來自數十萬人的 DNA 也揭示了一些與同性性行為有關的基因變異。在「同性戀、熊貓、與適者生存」(科學月刊 2014 年 7 月號,見《我愛科學》)一文裡,筆者提到:傳宗接代為「種族生存」的必要條件;同性戀者不能傳宗接代,不是遲早將從地球上絕跡嗎?一個筆者想到的解救的方法是:像體細胞核移植一樣,用同性「夫妻」的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性與雄性原核 (pronuleus),希望它們融合後能繼續發展成胚胎⋯⋯。

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筆者正在幻想如何申請專利賺大錢時,卻發早在 1980 代,肯亞裔的英國發育生物學家蘇拉尼(Azim Surani 4)就已經開始了類似的研究。他以老鼠為對象的實驗毫無疑問地證明了哺乳動物的繁殖不只是傳遞系統的問題:不僅需要兩個單倍體基因組來融合形成一個二倍體核的受精卵,事實上其中一個必須來自母親,另一個來自父親!顯然卵子之細胞質的重新編程不是 100% 地擦掉了所有分裂過程中的修飾、專業化痕跡,而是至少保留了一些必要的基因來源資訊!⋯⋯夢想破滅,只好重做馮婦執筆寫文章(保證不是人工智能代寫的),悲哉!請點個「讚」以聊慰筆者之失望吧!先謝啦!

如果能解開幹細胞之謎,或許也能解開同性繁衍的問題。 圖/envato

結論

幹細胞具有非凡的自我更新潛力:在生命早期和生長過程中可以在體內發育成許多不同的細胞類型。幹細胞可以分成多能幹細胞和「成體幹細胞(adult stem cell)」兩類。前者就是我們討論過的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞;後者也稱為「體幹細胞(somatic stem cell)」,它們已在許多器官和組織中被發現(通常在特定的解剖位置5)。這些特定器官的體幹細胞雖然不是多能的,但在生物體的整個生命週期中,卻扮演著非常重要的內部修復工作:它們可能會長時間保持靜止(不分裂),直到需要替代因正常磨損或疾病而損失的細胞時才被活化。

即使法律上不准複製人,相信讀者早已看出幹細胞在醫療上的可能作用:如果我們能用與我們體內相同的新細胞來取代罹患第一型糖尿病時失去的胰島素分泌細胞、或阿茲海默症失去的腦細胞、或骨關節炎失去的軟骨生成細胞等,那就不必擔心器官移植所造成的免疫系統排斥問題,或缺乏可用來移植的器官的困擾。這種使用克隆幹細胞來作為醫學治療用的領域稱為「治療性克隆(therapeutic cloning)」。

本文只回答了 20 世紀初以來一直困擾細胞生物學家的第一個問題:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?至於如何重新編程、一個受精卵如何在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞、這些體細胞又如何在分子層面上被修飾使其只能繼續分裂成同樣的體細胞等更複雜的問題,則需等待新興的「表觀遺傳學(epigenetics)」來回答。

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註解

  1. 在某些生物體中,精子並不是嚴格必需的,它們可以透過各種非特異性化學或物理處理來人工活化卵子;例如一些脊椎動物(如一些蜥蜴)的卵子通常是在沒有精子活化的情況下繁殖的,稱為「孤雌生殖(parthenogenesis)」 。
  2. 像胎兒(fetus)的生命從什麼時候開始一樣,胚胎從什麼時候開始也沒有嚴格一致的共識。因當囊胚成功地植入子宮內膜時,母體會立即開始產生荷爾蒙來支持懷孕,筆者認為這應該是很好的胚胎起始點。到受精後大約八個禮拜,大部分人體器官和系統均已成型,也可偵測到心跳。第八週後稱為胎兒。
  3. 以美國西部鄉村歌手 Dolly Parton 的名字命名。
  4. 因試管嬰兒而獲得 2010 年諾貝爾獎之愛德華茲(Robert Edwards)的博士學生。
  5. 不是所有的器官都有這些體幹細胞,例如心臟就沒有,因此一旦數以百萬計的心肌細胞因缺氧(心肌梗塞)而死亡時,人體內就沒有自然系統可以取代它們。反之,肝臟則是具有高度再生能力的內臟器官,它可以在化學損傷或手術切除後再生。

延伸閱讀

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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胚胎發育必不可少的兩位舞者:胚胎幹細胞與滋養層幹細胞——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/22 ・2668字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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細胞工程如何進行?

如果我們真的要進行細胞工程的話,我們就得要以孩童拼樂高積木的方式,一次一個地將細胞組合成胚胎。但我們並沒有經由口吸管的方式(請參考第五章)來這樣做,而是把一切都留給機率來決定。

我們在培養皿中混合了不同濃度的兩種細胞,並讓它們自由接觸。我們在第二天透過顯微鏡看到,有些細胞確實開始相互作用並形成結構。但為數不多,因為這取決於無法預測的機率。不過當胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結合時,它們就會以驚人的方式進行自我建構,它們好像知道自己要做什麼,也有個目標。

胚胎發育過程經歷了什麼?

我們在實驗室暗房的顯微鏡下,看到許多胚胎發育的基本過程。我們首先看到細胞極化。接著幹細胞會自我建構,胚胎幹細胞會聚集在一端,而滋養層幹細胞則聚集在另一端。由於胚胎幹細胞衍生出的胚胎部分與滋養層幹細胞衍生出的胚外部分會進行對話,所以在每個細胞群中的空腔後續會打開並創造出三維的 8 字形。我們發現這涉及到一個名為 Nodal 的蛋白所傳送的訊號。這兩個空腔之後會融為一體,最終形成一個對胚胎發育至關重要的大型羊膜腔。這種體腔形成的過程似乎就跟真正胚胎在著床不久後會發生的情況一樣。我們看見了自我建構的驚人創舉。

不過,我們當然總是想要更進一步,讓合成胚胎中胚胎幹細胞所衍生部位裡的那些類胚胎細胞,能夠適當地打破對稱性。我們的意思是讓這些細胞設法進行原腸化,也就是提供未來身體體制基礎的關鍵步驟。
我們發現若是可以讓胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結構再發育久一點,它們確實會打破對稱性。

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像 Brachyury 這類基因就會在胚胎與胚外部位之間開始表現,就跟真正胚胎的情況一樣。Brachyury 基因至關重要,因為它會影響中胚層的形成與前後軸線。 這個發現不但讓我的心跳差點停止,也讓實驗室中的每個人都大為驚奇。

這些類胚胎結構與正常胚胎結構非常相像,足以用於揭開在母體著床時期的某些發育謎團。很明顯地,胚胎幹細胞與滋養層幹細胞一同建造的結構所模擬出的胚胎形態與結構模式,要比只使用胚胎幹細胞要來得精確許多——這是更值得信賴的發育模型。

圖/unsplash

感覺起來,這兩種幹細胞就好像兩名舞者彼此都告訴對方,自己在胚胎中的所在位置。沒有這場雙人舞,正確形狀與形式的發育以及關鍵生物機制的適時運作就不會適當發生。我們也發現這個結構模式的發育,得仰賴 Wnt 與骨成形性蛋白質(bone morphogenetic protein, BMP)的訊號路徑,這與真正胚胎的發育情況一樣。

投稿論文的種種阻力與助力

我們將這篇論文投稿至《自然》。由於許多論文在初始階段就會被退回,所以我們知道編輯將稿子送去審閱時,士氣不由得為之一振。編輯們的知識淵博,經驗也豐富,能走到這一步就是一種重要的認可,所以我們有場小小的慶祝活動,因為即使是小小的成功也能做出改變。

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不過最終他們沒有接受我們的論文,除非得像一位審稿人要求的那樣,提供合成胚胎在自我建構時所用基因的詳細資料,以及這些基因的表現模式在自我建構的每個階段是如何變化的。這將會是一件大工程。然而這彷彿算不上是什麼壞消息,因為我的實驗室中並沒有技術可以研究這些基因所運用的轉變形態模式。我需要尋求經費來購買我負擔不起的設備,我們也需要找到合作夥伴。

我受邀到澳洲獵人谷為歐洲分子生物學組織大會進行講座。那時正值學校放假,所以我帶著賽門一起踏上這次的冒險旅途。我們在香港轉機,順便停留一天拜訪當時的行政長官梁振英,他是我最好的前博士生之一梁傳昕的父親。

圖/unsplash

我的演講是由小鼠發育生物學家譚秉亮(Patrick Tam)開場,我感到非常榮幸,因為我向來就對譚秉亮的研究極為崇拜。賽門與我加入譚秉亮與他太太伊莉莎白(Elizabeth)的行列,一起到雪梨的海邊走走,一路上譚秉亮告訴我有關他與上海生命科學研究院景乃禾(Naihe Jing)的合作,景乃禾利用雷射切割胚胎,揭露了胚胎基因的表現模式。我非常幸運,因為在我回到劍橋不久後,景乃禾就到劍橋來拜訪,所以我能夠親自與他見上一面。我們同意一起合作揭開我們類胚胎結構中基因表現的模式。景乃禾團隊的貢獻將是我下一章故事的重心。那時我們才意識到,可能要花上一年的時間才有辧法確實做到這一點,而我也不確定我們是否願意為了讓《自然》的編輯滿意(或者還是不滿意,誰知道呢)而等這麼久。

那時,莎拉與柏娜已經累積了更多的數據,所以我們決定將研究結果投稿到我比較不熟悉的《科學》。事實證明這是正確的選擇。跟過往一樣,審稿人要求我們再多做一點實驗。但這次的要求還做得到,只是我們就得在 2016 年的聖誕節假期長時間的工作,以便在新學期開始前完成手稿。大衛也一起下來幫忙,他成為這篇論文的共同作者。

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為「類胚胎模型」命名也是一門大學問

命名很重要,因為「珠子」那個命名的前車之鑑,所以我們對於要怎麼為我們的類胚胎模型命名進行了漫長的討論。這些模型讓我們知道胚胎結構是如何從幹細胞自我建構而成,所以我們想要給它們取個特別的名字。但是我們最後沒有得到共識。

圖/imdb

《科學》的編輯不喜歡「合成」類胚胎結構這個名字。我在期中假期得知這個消息,那時我正與家人及朋友滑雪度假中,所以我請他們一起來想想其他的名字。這或許就是為何我們會想到「ETs」這個名字的原因之一。史蒂芬.史匹柏有部科幻電影講述到從異世界來的訪客,而從幹細胞自我建構出的第一個類胚胎結構似乎也帶給我們這樣的感受。不過這個 E 不是代表「另外(extra)」的意思,而 T 也不是「地球人(terrestrials)」的意思。E 代表的是胚胎幹細胞(ES),而 T 代表的則是滋養層細胞(TS)。

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

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發育中胚胎如何淘汰異常細胞?——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/21 ・2937字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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為了理解染色體異常細胞對鑲嵌型胚胎的影響,我們必須要創造出數百個小鼠胚胎,並研究數千個胚胎不同部位的細胞。這麼龐大的工作量需要有一位專職的科學家,也需要資金。

在匯整如何測試這個假設的思緒時,我在絨毛膜採樣檢查後又進行了另一個羊膜穿刺檢查,這個檢查一樣在超音波影像的引導下,將針插入包圍發育胎兒的羊膜囊中,以取得少量的透明羊水樣本來進行分析。保護胎兒的羊水會帶有胎兒細胞,可以用來確認是否具有染色體問題。這次的檢查結果是沒有問題的,我們都鬆了一口氣。不過,得要到我把孩子抱在手上那時,我才能百分之百地放心。

圖/unsplash

還有其他的好消息是,我有了資源可以進行了解我檢查結果的研究。我在發現懷孕那天所進行的面試,讓我獲得惠康基金會的資深研究補助金。這筆補助金原本打算用在另一個計畫上,不過他們給我足夠的自由度,可以直接挪用其中部分資金來為鑲嵌型胚胎建立模型。

如何製造染色體異常的細胞?

我們有一大堆事情要做。首先,我們得要找到一種可信的方式(最好不只一種)來製造染色體異常的細胞。然後我們還要找到一種方式來標記這些細胞,好讓它們在正常細胞旁發育時,我們可以追蹤到它們。製造異常細胞比我們原先所想得更加困難。海倫測試許多種不同的方法來干擾染色體分離的過程,我們最後用到一種名為逆轉素(reversine)的藥物,這是我們實驗室中另一個研究計畫使用過的藥物。

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逆轉素是種小分子抑制劑。我們想要使用逆轉素來抑制染色體分離中的一個關鍵過程。那是一個分子檢查點,在正常情況下會暫停細胞分裂(有絲分裂),直到有正確數目的染色體(帶有 DNA)被拉開,並分離到兩個不同的子細胞間為止。逆轉素會阻斷名為單極紡錘體蛋白激酶(monopolar spindle 1 kinase)的酵素,而這種酵素會在細胞分裂時確保染色體公平分配。

圖/unsplash

為了確認逆轉素確實會造成染色體異常,我們經由標記隨機選出的三個染色體來分析有用藥及無用藥的胚胎。我們所使用的標記方法名為螢光原位雜合技術(fluorescence in situ hybridization, FISH),這種技術會外加一個探針(短 DNA 序列)及一個螢光標記。當探針在樣本中碰到類似的 DNA 片段時,就會在螢光顯微鏡下發光。經由螢光原位雜合技術的追蹤,確認了海倫使用逆轉素後,確實會增加染色體異常胚胎的數量。

逆轉素的效用是暫時性的,海倫一把藥劑洗掉,檢查點就恢復正常功能。這很重要,因為這表示我們可以將胚胎染色體異常的發生限制在特定的發育期間內。

染色體異常的胚胎能正常發育嗎?

確信可以製造出染色體異常的胚胎後,我們需要確定這些施用過逆轉素的胚胎是否會完全發育。海倫對四細胞胚胎施用逆轉素,並觀察到在發育 4 天後,它們的細胞數量比未施藥的胚胎要來得少。不過雖然細胞數量較少,還是可以形成三組基本的細胞世系。

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為了找出施用內逆轉素的胚胎是否可以長成小鼠,我們將這些胚胎植入母體中。這個時間點是在我們創造出體外培養胚胎的技術之前。每 10 個正常胚胎有 7 個會著床,而這個比例在施藥後的胚胎上則降了一半。最重要的是,施用逆轉素的胚胎沒有一個能夠成長為活生生的老鼠。這個實驗顯示,當胚胎中大多數的細胞都出現染色體異常時,它們的發育最終會以失敗收場,即使它們著床了、也發育了一陣子。

圖/unsplash

製造同時有異常與正常細胞的胚胎

現在我們可以進一步來探討那個重要的問題:若是只有部分胚胎細胞帶有染色體異常,發育又會受到何種程度的影響?為了找出答案,我們必須製造出鑲嵌型胚胎,也就是混合了染色體異常細胞與染色體正常細胞的胚胎。因此我們決定經由製造嵌合體來達到這個目的。

因為我們無法在對同個胚胎施用逆轉素時只讓其中一些細胞出現染色體異常,所以無法經由這個方式製造出鑲嵌型胚胎,因此我們想到了運用嵌合體的作法,將來自不同胚胎的細胞結合建構成嵌合體(鑲嵌型胚胎是由單顆受精卵生長發育而成的)。創造嵌合體而非鑲嵌型胚胎的好處是,我們可以系統性地去研究要具有多少異常細胞才會干擾到發育。很幸運地,這個作法成功了。

圖/unsplash

海倫在小鼠胚胎從兩細胞階段分裂到四細胞階段時,經由口吸管的方式施用逆轉素,並在八細胞階段將細胞一個個地分開。然後她將來自正常胚胎的四個細胞與來自施藥胚胎的四個細胞結合創造出八細胞嵌合體胚胎。

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我們要追蹤細胞的命運就需要標記。我朋友凱特.哈迪安東納基斯(Kat Hadjantonakis)與金妮.帕帕約安努在紐約對小鼠進行基因改良,讓牠們的細胞核具有綠色螢光蛋白,所以我們就採用了具有這種特性的小鼠。我們將這類小鼠胚胎施予逆轉素,施過藥的細胞會與未施過藥的細胞有不同的顏色,這樣我們就可以做出區別。具有綠色螢光蛋白的細胞讓我們可以明確看到新細胞是在何時與何處誕生以及新細胞的後續分裂,還有,若是細胞死亡了,我們也可以看到是在何時與何處死亡的。我們可用此種方式為個別細胞建立「譜系圖」。

染色體異常細胞在胚胎發育過程中會被清除嗎?

我們為這些鑲嵌型胚胎拍攝了影片,以精準追蹤每個細胞的命運。海倫在螢幕上看見,異常細胞數量的下降主要發生在產生新個體組織的那一部分胚胎,也就是上胚層。這些異常細胞會在凋亡的過程中死去,也就是經歷程序性的細胞死亡。在注定成為胚胎本體的那一部分胚胎中,施用過逆轉素的細胞經歷凋亡的頻率是未施藥細胞的兩倍以上。

圖/unsplash

這個結果表示,在注定成為胎兒的那一部分胚胎中,異常細胞有被清除的傾向。這支持了我的假設,也就是在這一部分的胚胎中,異常細胞競爭不過正常細胞,不過實際運用的機制跟我原來所想的不一樣。

我簡直不敢相信。這是我們真的會研究出重要成果的第一個徵兆,發育中的胚胎不僅可以自我建構,也同樣可以自我修復。幾年前當我懷著賽門那時,絨毛膜採樣檢查所檢測到的染色體異常細胞的後代,有沒有可能在成長為賽門的那部分胚胎中自我毀滅了呢?

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——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

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