去年2月1日，英國(guó)人類生育與胚胎學(xué)管理局（Human Fertilisation and Embryology Authority）召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布正式批準(zhǔn)Francis Crick研究所的發(fā)育生物學(xué)家Kathy Niakan對(duì)人類胚胎進(jìn)行編輯的請(qǐng)求。這是第一次國(guó)家監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)了人類胚胎基因編輯的研究。事隔一年半，Niakan博士的相關(guān)文章于今年9月20日在線發(fā)表在Nature上，科學(xué)家們用基因編輯對(duì)人類胚胎做了些什么呢？

Kathy Niakan 圖片來源網(wǎng)絡(luò)

Kathy Niakan博士此舉的意義

這項(xiàng)史無前例的研究與先前試圖修復(fù)人類胚胎致病基因突變的研究不同，它是希望最終能通過這些基礎(chǔ)研究預(yù)防遺傳性疾病。盡管這些研究引起了對(duì)“設(shè)計(jì)嬰兒”的關(guān)注，但最新論文的工作旨在了解人類胚胎發(fā)育和流產(chǎn)的原因。

此項(xiàng)研究利用CRISPR-Cas9這一基因編輯系統(tǒng)，來破壞對(duì)胚胎發(fā)育非常重要的蛋白Oct4的產(chǎn)生?；蚓庉嫗榱私馊祟惻咛サ脑缙诎l(fā)育階段提供了途徑，同時(shí)也揭示了Oct4作為關(guān)鍵蛋白引導(dǎo)胚胎生長(zhǎng)的作用。

傳統(tǒng)上，研究人員在小鼠胚胎中進(jìn)行這樣的研究，這些胚胎比人類胚胎來源更豐富，攜帶的倫理因素也更少。但最新研究發(fā)現(xiàn)了在人類和小鼠胚胎Oct4角色的關(guān)鍵差異，強(qiáng)調(diào)依靠動(dòng)物模型的局限性。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的干細(xì)胞科學(xué)家Dieter Egli評(píng)論說：“如果我們要真正了解人類胚胎的發(fā)育并改善人類健康，我們就必須直接研究人類胚胎。我們不能只依賴于模式生物的推論。”不過其他科學(xué)家也指出在小鼠胚胎上的研究可以測(cè)試很多胚胎，但獲得用于研究的人類胚胎總是很有限的。

如何用基因編輯研究人類胚胎發(fā)育

Niakan博士的團(tuán)隊(duì)一共使用了58個(gè)胚胎進(jìn)行研究。這些胚胎是在生育診所中用于體外受精（IVF）治療而產(chǎn)生的，并已捐獻(xiàn)用于研究。如以下視頻所示，通常卵子受精后大約七天，會(huì)形成大約200個(gè)細(xì)胞的球狀囊胚。

研究小組將CRISPR-Cas9基因編輯體系注入到受精卵中，然后在實(shí)驗(yàn)室等待他們發(fā)育一個(gè)星期。明顯，Oct4水平被基因編輯破壞的胚胎發(fā)育上出現(xiàn)問題，只有19%形成多細(xì)胞胚胎囊胚。而有大約一半的對(duì)照（其中有不變的，正常的Oct4水平）能發(fā)育到這個(gè)階段。

CRISPR-Cas9敲除Oct4基因流程 圖片來源文獻(xiàn)1

人類胚胎第一個(gè)細(xì)胞的周期和顯微注射時(shí)間 圖片來源文獻(xiàn)1

人類胚胎和小鼠胚胎顯著的差異

在鼠和人體內(nèi)，Oct4主要表達(dá)于胚胎干細(xì)胞及生殖干細(xì)胞中，對(duì)于維持胚胎干細(xì)胞的多潛能性和自我更新具有極其重要的作用。2012年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的山中伸彌博士的實(shí)驗(yàn)室和其他很多人的研究已經(jīng)表明，在生長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中的體細(xì)胞中人工過表達(dá)Oct4對(duì)于將這些細(xì)胞重編程到誘導(dǎo)多能干細(xì)胞時(shí)是必不可少的。

盡管Oct4如此重要，但小鼠母體Oct4敲除后，胚胎仍可以沒有任何缺陷地發(fā)育到足月。除非用Oct4等位基因同樣缺失的小鼠精子受精，小鼠的胚胎才會(huì)出現(xiàn)發(fā)育障礙。

小鼠卵子/精子Oct4敲除后的發(fā)育簡(jiǎn)圖 圖片來源文獻(xiàn)4

該研究中人類胚胎發(fā)育簡(jiǎn)圖（Oct4 null 指Oct4被編輯失效的胚胎在箭頭處暫停發(fā)育） 圖片來源文獻(xiàn)1

在人類胚胎上仍然需要做進(jìn)一步的研究確定Oct4的作用。Niakan博士的研究小組發(fā)現(xiàn)，人類胚胎停止生長(zhǎng)比缺乏該蛋白的小鼠胚胎要早，基因表達(dá)的模式不同。胎盤細(xì)胞也有意外的異常。

Niakan博士說后者的發(fā)現(xiàn)是特別重要的，因?yàn)檠芯咳藛T缺乏合適的模型來研究胎盤發(fā)育和理解該過程中什么出了錯(cuò)。她說，這項(xiàng)研究還可能最終產(chǎn)生提高IVF成功率的方法，并有助于解釋為什么有些妊娠失敗。成功的IVF治療的關(guān)鍵是依賴于能否提供對(duì)于胚胎發(fā)育最優(yōu)的環(huán)境。目前的問題是許多胚胎在培養(yǎng)過程中停滯，或著床后不能繼續(xù)發(fā)育。這項(xiàng)研究將有助于科學(xué)家們確定哪些必需因素能夠確保人類胚胎發(fā)育成健康嬰兒。

發(fā)育領(lǐng)域的科學(xué)家評(píng)論本文是了解人類胚胎發(fā)展的一個(gè)重要步驟，開創(chuàng)了人類功能遺傳學(xué)的新紀(jì)元，是一個(gè)令人興奮的第一步。這項(xiàng)知識(shí)的獲得對(duì)于開發(fā)治療發(fā)育障礙的新療法是必要的，也有助于理解可能在生命早期產(chǎn)生的成人疾病，將為基礎(chǔ)和應(yīng)用開辟新的機(jī)會(huì)。

參考資料

1）Genome editing reveals a role for OCT4 in human embryogenesis

2）CRISPR used to peer into human embryos' first days

3）Genome editing reveals role of gene important for human embryo development

4）Role of Oct4 in the early embryo development

原標(biāo)題：Nature：史無前例！全球最先被批準(zhǔn)的人類胚胎基因編輯研究結(jié)果剛剛發(fā)表