我们可以怎么运用干细胞？克隆技术可以解决同性生殖问题吗？

因被极有弹性的膜和果冻层包围着，非洲爪蟾的卵与其它两栖动物的卵不同，使得微量移液器无法穿透，所以我第一次尝试在非洲爪蟾中移植细胞核完全不成功。⋯⋯如果实验——或其他事情——没有立即成功，请不要放弃!

——格登（John Gurdon）2012 年诺贝尔医学奖

在“认识病毒全攻略!病毒的发现、与细菌的不同、科赫假说和致病机制”一文里，笔者提到细胞是生命的基本单位，它主要由基因组（genome）、细胞膜（cell membrane）、细胞质（cytoplasm）、和核醣体 （ribosome）组成。细胞质为执行细胞生长、代谢、和复制功能的地方，为细胞中的微观工厂;核醣体将遗传密码从核酸的分子语言翻译为氨基酸的分子。细胞本身含有代谢酶，因此有营养系统;不需宿主活细胞，即可自行繁殖。

高等动植物的细胞不像细菌，具有真正的细胞核（nucleus），故称为真核细胞（eukaryotic cell）。它们没有细菌的“质粒”（plasmid），但却有像消化系统一样的“线粒体”（mitochondria）来吸收营养，分解营养，并为细胞创造能量丰富的分子。

干细胞

在大多数物种中，只有两种完全不同类型称为“配子（gamete）”的生殖细胞：卵子与精子。卵子是生物体中最大的细胞，而精子则是最小的;它们可以说是“发育不完全”的精简细胞：卵子只具有细胞核及细胞质，精子则只具有细胞核及线粒体;它们的细胞核内均只有一半的染色体（称为“单倍体基因组”）。尽管如此，卵子还是是最引人注目的动物细胞：因为一旦被精子激活（精子与卵子融合，称为“受精”1），它可以在几周内产生一个全新的个体。

人类的卵子受精后约五到六天，就会分裂形成大约一百个细胞的囊胚（blastocyst），见图右。囊胚由内部细胞群（inner cell mass）及囊胚外层（trophectoderm）组成：前者将继续分裂发展成胚胎（embryo 2），后者则将附着在子宫内膜成为胎盘 （placenta），保护和滋养发育中的胚胎。因为受精卵（zygote）可以分裂产生所有的细胞（包括胎盘），故称为“全能干细胞（totipotent stem cell）”。内部细胞群的细胞则因能继续分裂发展成生殖细胞及体细胞（somatic cell）的人体各部位器官，故称为“多能干细胞 （pluripotent stem cell）”，又称为“胚胎干细胞（embryo stem cell）”，简写为 ES。

生殖细胞及体细胞一旦形成后，就有其特定“专业化”的功能，不能再如干细胞一样转换成其它细胞。因此自 20 世纪初以来，一直困扰细胞生物学家的问题是：体细胞在基因上与它们所源自的受精卵相同吗?一个受精卵如何会在胚胎分化中形成许多功能完全不同的体细胞呢?这些体细胞又如何记得继续分裂成同样的体细胞呢?

布里格斯（Robert Briggs）和金 （Thomas King）于 1952 年在活体生物体中进行了首次青蛙核移植 （nuclear transfer）实验：将一个早期胚胎细胞核移植到去核的卵细胞中。他们发现不同发展阶段的胚胎核可以造成非常不同的结果：早一天的可以继续发展成青蛙，晚一天的则胎死腹中。此结果显然回答了第一个问题：细胞核的遗传物质在开始分化时会发生不可逆转的改变，如重新排列遗传物质使其变得更加专业化、永远有效地关闭不使用的基因、甚或抛弃数百个不再需要的基因等等。

克隆教父——约翰.格登爵士

格登（John Gurdon）1933 年出生于英国汉普郡（Hampshire）迪彭霍尔（Dippenhall）。就读于伊顿公学 （Eton College）寄宿学校时，成绩不是特别好。在上了一学期的生物学后，老师写了一份报告说：“我相信格登想成为科学家，但从目前的情况来看，这是相当可笑的。如果他不能学习简单的生物学事实，他就没有机会从事专家的工作，这对他和那些必须教他的人来说都纯粹是浪费时间。”所以格登毕业后申请了牛津大学的古典学课程，但招生导师因为缺少理科生，告诉他说：“我很高兴地告诉你，我们可以接受你，但有两个条件：一是你得立即开始，第二是你不要学习你参加入学考试的科目。”就这样，格登终于追求到他的梦想，最后在牛津大学取得发育生物学博士学位。你说人生不是一连串的巧合与意外么?

约翰.伯特兰.格登爵士（Sir John Bertrand Gurdon）　图/wikimedia

1956 年格登开始了核移植的博士研究：但不是移植正在发展中的胚胎细胞核，而是移植已经发展完全的体细胞核到去核的未受精卵内——称为“体细胞核移植 （somatic cell nuclear transfer，SCNT，见图左 ）”。格登早期得到的结论因与布里格斯和金的结论相左，因此受到了强烈的批评。1962 年，格登将西部矮爪蛙（学名 Hymenochirus curtipes）的肠细胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中，竟然发现这种经过改造的卵细胞可以长成一只新的西部矮爪蛙!这毫无疑问地证明了：（1） 成熟的细胞核仍含有形成所有类型细胞所需的遗传讯息（即与受精卵具有同样的基因），（2） 干细胞在发展中专业化成体细胞是可逆的。

克隆哺乳动物

格登成功地从体细胞核复制/克隆 （clone） 了两栖类动物青蛙，当然立刻有科学家想到是否可以用同样的方法来复制哺乳动物。可是为什么要等到 30 多年才出现克隆的多莉羊 （Dolly the sheep 3 ） 呢?原来格登选青蛙是有其理由的：两栖类动物的卵子都是透明、且非常大，一产就大量排出体外。即使这样，他的成功率还是低的;还好正如笔者在“爱因斯坦所相信的上帝，是你以为的那位上帝吗?”一文里所说的“要证明上帝存在比证明祂不存在简单多”，格登只要在几百个实验中不被合理质疑地克隆出一只青蛙就够了。

多莉的生命始于试管中的一个单细胞（取自芬兰多塞特羊的乳腺细胞核和苏格兰黑脸羊的去核卵细胞），六天后在实验室确认正常发育后，胚胎就被转移到代孕母亲体内，于 1996 年 7 月 5 日出生。但在英国罗斯林研究所 （Roslin Institute） 发表论文前，白脸多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的诞生后，全世界的媒体纷纷涌向罗斯林去一睹这只如今闻名的绵羊风采，也引发了媒体关于克隆伦理的争论。

现在大部分先进国家都已经禁止克隆人的实验，因此各地的实验室大都只克隆人类胚胎细胞，作为研究及治疗用。2018 年，中国科学院上海神经科学研究所首次利用 SCNT 成功克隆灵长类动物，诞生了两只名为“中中”和“华华”的食蟹雌猕猴。

诱导多能干细胞

到了 21 世纪初，研究胚胎干细胞的科学家已经鉴定出二十多个似乎对胚胎干细胞至关重要的基因。这些基因的功能不一定相同：有些对于自我更新很重要（即一个 ES 细胞分裂形成两个 ES 细胞），而另一些则用来阻止干细胞分化。科学家也找到如何在培养皿中维持多能胚胎干细胞的方法，及如何改变培养条件使其分化成各种细胞类型，如肝细胞、心脏细胞、和神经元等。但他们能否利用这些资讯将完全分化成熟的体细胞变成像胚胎一样的干细胞吗?

2006 年，日本京都大学的山中伸弥（Shinya Yamanaka）和博士后研究员高桥（Kazutoshi Takahashi）终于宣称只要透过其中四个基因，即可将小鼠纤维母细胞（只能产生其它纤维母细胞）重新编程 （reprogramming），成能产生多种不同类型细胞的多能干细胞。他们将这样制造出来的干细胞称为“诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）”。山中伸弥与格登两人因研究出如何将专业化的成熟细胞重新编程使其具有多能性，而一起荣获 2012 年诺贝尔医学奖。

重新编程

精子和卵子像体细胞一样，也是由受精卵分化出来了，所以应该是一个高度专业化的细胞，但它们融合成受精卵后又变成全能干细胞，因此显然融合后的细胞核被卵子微观工厂的细胞质重新编程，失去大部分分化时的分子记忆（尤其是精子核，变成一张几乎完全空白的画布）。格登与复制绵羊的维尔穆特（Ian Wilmut）和坎贝尔（Keith Campbell）就是利用了这种重新编程现象，将体细胞核插入卵细胞质中创造出了新的克隆。

卵子的细胞质显然就像一个巨大的分子橡皮擦，它能非常迅速地在 36 小时内完成这个重新编程过程，擦掉了细胞分裂过程中专业化的修饰痕迹（imprinting）。在提高山中伸弥之体细胞重新编程为 iPSC 细胞的效率（远低于1%）和速度（需要数周）上，分子生物学家虽然已经取得了很大进展，但与自然界一比，仍相差甚远。

笔者写这篇文章的动机事实上是出于想解救同性恋的传宗接代问题。研究显示虽然不存在单一的同性恋基因，但来自数十万人的 DNA 也揭示了一些与同性性行为有关的基因变异。在“同性恋、熊猫、与适者生存”（科学月刊 2014 年 7 月号，见《我爱科学》）一文里，笔者提到：传宗接代为“种族生存”的必要条件;同性恋者不能传宗接代，不是迟早将从地球上绝迹吗?一个笔者想到的解救的方法是：像体细胞核移植一样，用同性“夫妻”的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性与雄性原核 （pronuleus），希望它们融合后能继续发展成胚胎⋯⋯。

笔者正在幻想如何申请专利赚大钱时，却发早在 1980 代，肯亚裔的英国发育生物学家苏拉尼（Azim Surani 4）就已经开始了类似的研究。他以老鼠为对象的实验毫无疑问地证明了哺乳动物的繁殖不只是传递系统的问题：不仅需要两个单倍体基因组来融合形成一个二倍体核的受精卵，事实上其中一个必须来自母亲，另一个来自父亲!显然卵子之细胞质的重新编程不是 100% 地擦掉了所有分裂过程中的修饰、专业化痕迹，而是至少保留了一些必要的基因来源资讯!⋯⋯梦想破灭，只好重做冯妇执笔写文章（保证不是人工智能代写的），悲哉!请点个“赞”以聊慰笔者之失望吧!先谢啦!

如果能解开干细胞之谜，或许也能解开同性繁衍的问题。 图/envato

结论

干细胞具有非凡的自我更新潜力：在生命早期和生长过程中可以在体内发育成许多不同的细胞类型。干细胞可以分成多能干细胞和“成体干细胞（adult stem cell）”两类。前者就是我们讨论过的胚胎干细胞和诱导多能干细胞;后者也称为“体干细胞（somatic stem cell）”，它们已在许多器官和组织中被发现（通常在特定的解剖位置5）。这些特定器官的体干细胞虽然不是多能的，但在生物体的整个生命周期中，却扮演着非常重要的内部修复工作：它们可能会长时间保持静止（不分裂），直到需要替代因正常磨损或疾病而损失的细胞时才被活化。

即使法律上不准复制人，相信读者早已看出干细胞在医疗上的可能作用：如果我们能用与我们体内相同的新细胞来取代罹患第一型糖尿病时失去的胰岛素分泌细胞、或阿兹海默症失去的脑细胞、或骨关节炎失去的软骨生成细胞等，那就不必担心器官移植所造成的免疫系统排斥问题，或缺乏可用来移植的器官的困扰。这种使用克隆干细胞来作为医学治疗用的领域称为“治疗性克隆（therapeutic cloning）”。

本文只回答了 20 世纪初以来一直困扰细胞生物学家的第一个问题：体细胞在基因上与它们所源自的受精卵相同吗?至于如何重新编程、一个受精卵如何在胚胎分化中形成许多功能完全不同的体细胞、这些体细胞又如何在分子层面上被修饰使其只能继续分裂成同样的体细胞等更复杂的问题，则需等待新兴的“表观遗传学（epigenetics）”来回答。

注解

1、在某些生物体中，精子并不是严格必需的，它们可以透过各种非特异性化学或物理处理来人工激活卵子;例如一些嵴椎动物（如一些蜥蜴）的卵子通常是在没有精子活化的情况下繁殖的，称为“孤雌生殖（parthenogenesis）” 。

2、像胎儿（fetus）的生命从什么时候开始一样，胚胎从什么时候开始也没有严格一致的共识。因当囊胚成功地植入子宫内膜时，母体会立即开始产生荷尔蒙来支持怀孕，笔者认为这应该是很好的胚胎起始点。到受精后大约八个礼拜，大部分人体器官和系统均已成型，也可侦测到心跳。第八周后称为胎儿。

3、以美国西部乡村歌手 Dolly Parton 的名字命名。

4、因试管婴儿而获得 2010 年诺贝尔奖之爱德华兹（Robert Edwards）的博士学生。

5、不是所有的器官都有这些体干细胞，例如心脏就没有，因此一旦数以百万计的心肌细胞因缺氧（心肌梗塞）而死亡时，人体内就没有自然系统可以取代它们。反之，肝脏则是具有高度再生能力的内脏器官，它可以在化学损伤或手术切除后再生。