“人造精子”技术不止一种，未来它们会有哪些应用
撰文 | 常春藤
责编｜刘燕影
在过去的20多年里，科学家一直尝试在实验室里培养出人造精细胞。2015年，法国一家生物技术公司Kallistem的研究人员宣称，他们从6个患有不育症的男性睾丸中提取出精原细胞，成功培育出成熟的人造精子细胞。
所谓的精原细胞是指原始的、尚未成熟的精子细胞，精原细胞在男性的睾丸中生成，经过复杂的生理生化过程以及调控机制，最终在附睾中成熟，变成精子。该技术的问世，有望在治疗男性少精或无精导致的不育不孕症中发挥作用。
这两年，国内媒体也不时曝光“人造精子”的研究，引起了公众广泛的关注。来自中科院生化与细胞研究所的李劲松研究员，其实验室既可将雄性小鼠的体细胞变成“类精子”，也可以直接由雌性小鼠的卵细胞变成“类精子”。不管“类精子”是从雄性个体来的，还是来自雌性个体，均有可能与另一颗卵细胞结合形成受精卵，研究人员再将这些特殊的受精卵植入小鼠的子宫中，于是就生出了一只只与正常小鼠无异的新个体来。
具体来说，李劲松研究团队成功建立了稳定的“类精子细胞”单倍体细胞系，这些细胞是利用幼年雄鼠体细胞克隆出来的，这些“类精子”能稳定地与雌鼠的卵细胞结合，产生出半克隆小鼠。相关研究发表在2015年7月10日出版的权威学术期刊Cell Stem Cell上。同年，李劲松团队利用幼年小鼠的卵细胞，使其变成“类精子”，代替精子与另一个卵细胞结合，也能形成受精卵，并最终生出小鼠，只不过这些小鼠只有一个性别：均为雌性。
小鼠研究在人类健康诸如癌症研究等方面有很大的价值，因此，这些具有稳定遗传的半克隆小鼠意义非凡，它们是良好的人类疾病研究模型。
事实上，早在2012年，李劲松研究团队就建立了小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞，并且能让这一细胞替代精细胞使雌鼠产生的卵细胞“受精”，生产出半克隆小鼠。但是随着细胞的传代（增殖），其逐渐丢失授精能力。李劲松对该技术进行改进，获得了能够稳定产生半克隆小鼠的“类精子细胞”。与正常的精细胞相比，它们只不过是没有游动的尾巴而已，但仍能同卵细胞进行结合，形成正常的小鼠胚胎。该项研究曾入选2012年中国科学十大进展之一。
近年来，李劲松团队利用半克隆小鼠做了一些有意义的探索，如筛选决定胚胎发育的关键基因、在体筛选决定蛋白质功能的关键氨基酸、建立模拟人类疾病的小鼠模型、开展基因组标签计划等。
根据李劲松团队介绍，“人造精子细胞”介导半克隆技术可以实现多样化的基因编辑，并一步获得相应的基因修饰小鼠模型，有望为生殖、发育、人类遗传学等领域提供强大的技术支持。
遗传性疾病神经管畸形，图片来源cdc
李劲松团队也在利用细胞重编程的技术来探究人类的遗传疾病——神经管畸形，他与合作者利用“人造精子”技术培育全雌性半克隆小鼠，来检验导致神经管畸形的基因位点。神经管是一种常见的出生遗传缺陷，神经管异常之后会使胚胎产生无脑、脑部膨胀、脊柱裂、唇腭裂等症状，70%的神经管畸形病例与遗传有关。
李劲松团队的“人造精子”技术也可以称为半克隆技术，它比传统的二倍体胚胎干细胞基因打靶技术更具优势，因此能快速筛查到相应的基因位点。
“复旦大学王红艳课题组在神经管畸形和正常对照样本中，筛选了数个潜在致病突变位点。我们将突变位点逐一敲入人造精子，分别培养出含有这些候选突变位点的小鼠细胞系，最后我们锁定了一系列基因位点的杂合突变会导致胚胎死亡。”
李劲松在一次访谈时表示，如果使用传统二倍体胚胎干细胞基因打靶技术周期会很长，需要培育好几代才能够最终确定特定的基因位点。而如果以单倍体胚胎干细胞为对象进行基因研究和筛选，则会大大缩短实验周期。
“我们只需要将携带修饰基因的孤雄单倍体胚胎干细胞注入卵子，便能直接获得携带特定基因遗传修饰的半克隆小鼠，从而加速出生缺陷、多基因介导复杂疾病的病因分析。这正是我们得以实现快速基因筛选的关键所在。”李劲松表示。
除了快速筛查特定的遗传疾病的基因位点外，李劲松目前在利用这一技术进行基因组标记，从而让目前已识别的26000个蛋白质带上DNA序列标签，从而更好地实现蛋白质功能网络以及生命科学的研究。
目前，李劲松团队的“人造精子”技术主要在小鼠模型上进行应用，且将利用这一技术制备的小鼠用于人类疾病的研究或者获得新的科学发现。
实际上，“人造精子”技术未来在濒危物种繁育，甚至人类不孕不育等方面都可能有所应用。
在大型野生动物日益稀少的今天，很多珍稀动物都是孤立在不同的动物园或保育中心，通过该技术能够有效地使一些珍稀雌性动物在缺乏雄性个体或者雄性个体精子质量严重下降时，进行精子再造实验，使雌性个体受孕、繁殖，从而延续这一物种的数量。
干细胞领域资深学者罗伯特·兰札
至于“人造精子”如何造福人类生殖领域，2014年，美国干细胞学者罗伯特·兰札（Robert Lanza）成功利用人类皮肤细胞制造出精子前体细胞，该技术潜在地能为那些无精或少精的人群解决不孕不育问题。
目前，全球各地的男性精子质量普遍下降。有数据显示，美国不孕不育夫妇占比10%~15%。这一比例在英国更高，约1/6的夫妇有生育困难问题。中国在这方面的数据是如何的呢？根据中国人口协会的资料显示，中国不孕不育人口大约有4000万，占据了育龄人口的12.5%；而20年前，这一比例仅为3%左右。不孕不育部分原因归结于男性精子质量下降严重。根据全国各地捐精者的数据显示，精子合格率不到30%。这主要表现在精子浓度、活力、存活率、形态（畸形）等方面。
不论是李劲松团队的半克隆小鼠技术，还是兰札成功制造出人类精子前体细胞，他们都是利用到了细胞的重编程技术，让成体细胞“重回第二春”。早在2006年，日本学者山中伸弥就利用重编程技术，实现了诱导多能干细胞（iPSC）的研发，让已分化的成体细胞变年轻，可以再分化成其他的细胞。因为在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，他与英国发育生物学家约翰·戈登分享了2012年的诺贝尔生理或医学奖。
事实上，利用细胞的重编程，不仅可以制造“人造精子”，也可以在临床上帮助病人获得康复，如日本科学家高桥雅代已经利用iPS细胞来治疗一种老年人常见的眼疾——黄斑变性。
目前，利用细胞的重编程造福人类健康的应用还非常少。以“人造精子”为例，人类的生殖细胞的形成过程与小鼠差异较大。人的生殖细胞的形成、发育以及成熟过程，是一个非常复杂的生物学过程，其中还涉及表观遗传调控机制。只有完全掌握这些信息，才能更好地进行“人造精子”研究，另外涉及人的健康和生命，如果要进行试验，需要非常严格的伦理规范进行指导，相关领域的临床应用进展缓慢。除此之外，我们对生命的了解还非常有限，同时对细胞的定向分化也难以把控。
但是随着生命科学研究的不断发展，相信在不久的未来，科学家会逐一攻克这些难题。
参考文献
1. Scientists claim they have grown human sperm inthelab http://www.independent.co.uk/news/science/scientists-claim-they-have-grown-human-sperm-in-the-lab-10509242.html
2. CRISPR-Cas9-Mediated Genetic Screening in Mice withHaploidEmbryonic Stem Cells Carrying a Guide RNA Library
3. 人造精子是谁的“福音”：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/5/294948.shtm
4.人造精子孕育'女儿国'，破解出生缺陷基因——专访中科院生化与细胞所李劲松博士. https://mp.weixin.qq.com/s/nxDhZMzzuGdeMphVBsJNl
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