去年2月1日，英國人類生育與胚胎學(xué)管理局（Human Fertilisation and Embryology Authority）召開新聞發(fā)布會，宣布正式批準(zhǔn)Francis Crick研究所的發(fā)育生物學(xué)家Kathy Niakan對人類胚胎進行編輯的請求。這是第一次國家監(jiān)管機構(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“設(shè)計嬰兒”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。

此項研究利用CRISPR-Cas9這一基因編輯系統(tǒng)，來破壞對胚胎發(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，同時也揭示了Oct4作為關(guān)鍵蛋白引導(dǎo)胚胎生長的作用。

傳統(tǒng)上，研究人員在小鼠胚胎中進行這樣的研究，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，強調(diào)依靠動物模型的局限性。

美國哥倫比亞大學(xué)的干細胞科學(xué)家Dieter Egli評論說：“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博士的團隊一共使用了58個胚胎進行研究。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，并已捐獻用于研究。如以下視頻所示，通常卵子受精后大約七天，會形成大約200個細胞的球狀囊胚。

研究小組將CRISPR-Cas9基因編輯體系注入到受精卵中，然后在實驗室等待他們發(fā)育一個星期。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%形成多細胞胚胎囊胚。而有大約一半的對照（其中有不變的，正常的Oct4水平）能發(fā)育到這個階段。

CRISPR-Cas9敲除Oct4基因流程 圖片來源文獻1

人類胚胎第一個細胞的周期和顯微注射時間 圖片來源文獻1

人類胚胎和小鼠胚胎顯著的差異

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

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，小鼠的胚胎才會出現(xiàn)發(fā)育障礙。

小鼠卵子/精子Oct4敲除后的發(fā)育簡圖 圖片來源文獻4

該研究中人類胚胎發(fā)育簡圖（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1

在人類胚胎上仍然需要做進一步的研究確定Oct4的作用。Niakan博士的研究小組發(fā)現(xiàn)，人類胚胎停止生長比缺乏該蛋白的小鼠胚胎要早，基因表達的模式不同。胎盤細胞也有意外的異常。

Niakan博士說后者的發(fā)現(xiàn)是特別重要的，因為研究人員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。她說，這項研究還可能最終產(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)家評論本文是了解人類胚胎發(fā)展的一個重要步驟，開創(chuàng)了人類功能遺傳學(xué)的新紀元，是一個令人興奮的第一步。這項知識的獲得對于開發(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)用開辟新的機會。

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