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Nature:史无前例!全球最先被批准的人类胚胎基因编辑研究结果刚刚发表
作者:   来源:生物探索   发布者:尹海华   日期:2017-09-22   今日/总浏览:14/818

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去年2月1日, Francis Crick研究所的Kathy Niakan对人类胚胎进行编辑的请求获英国监管机构批准。而今Niakan博士的相关文章于9月20日在线发表在Nature上。与先前试图修复人类胚胎致病基因突变的研究不同,最新论文的工作旨在了解人类胚胎发育和流产的原因。


图片来源Nature

去年2月1日,英国人类生育与胚胎学管理局(Human Fertilisation and Embryology Authority)召开新闻发布会,宣布正式批准Francis Crick研究所的发育生物学家Kathy Niakan对人类胚胎进行编辑的请求。这是第一次国家监管机构批准了人类胚胎基因编辑的研究。事隔一年半,Niakan博士的相关文章于今年9月20日在线发表在Nature上,科学家们用基因编辑对人类胚胎做了些什么呢?


Kathy Niakan 图片来源网络

1Kathy Niakan博士此举的意义

这项史无前例的研究与先前试图修复人类胚胎致病基因突变的研究不同,它是希望最终能通过这些基础研究预防遗传性疾病。尽管这些研究引起了对“设计婴儿”的关注,但最新论文的工作旨在了解人类胚胎发育和流产的原因。

此项研究利用CRISPR-Cas9这一基因编辑系统,来破坏对胚胎发育非常重要的蛋白Oct4的产生。基因编辑为了解人类胚胎的早期发育阶段提供了途径,同时也揭示了Oct4作为关键蛋白引导胚胎生长的作用。

传统上,研究人员在小鼠胚胎中进行这样的研究,这些胚胎比人类胚胎来源更丰富,携带的伦理因素也更少。但最新研究发现了在人类和小鼠胚胎Oct4角色的关键差异,强调依靠动物模型的局限性。

美国哥伦比亚大学的干细胞科学家Dieter Egli评论说:“如果我们要真正了解人类胚胎的发育并改善人类健康,我们就必须直接研究人类胚胎。我们不能只依赖于模式生物的推论。”不过其他科学家也指出在小鼠胚胎上的研究可以测试很多胚胎,但获得用于研究的人类胚胎总是很有限的。

2如何用基因编辑研究人类胚胎发育

Niakan博士的团队一共使用了58个胚胎进行研究。这些胚胎是在生育诊所中用于体外受精(IVF)治疗而产生的,并已捐献用于研究。如以下视频所示,通常卵子受精后大约七天,会形成大约200个细胞的球状囊胚。

显示正常人类胚胎发育最初几天的录像。右下角的计时器显示胚胎发育的时间。从第五天起,一个稳定的囊胚形成——这是一个大约200个细胞的球体,……录像来源 Kathy Niakan

研究小组将CRISPR-Cas9基因编辑体系注入到受精卵中,然后在实验室等待他们发育一个星期。明显,Oct4水平被基因编辑破坏的胚胎发育上出现问题,只有19%形成多细胞胚胎囊胚。而有大约一半的对照(其中有不变的,正常的Oct4水平)能发育到这个阶段。

CRISPR-Cas9敲除Oct4基因流程 图片来源文献1

人类胚胎第一个细胞的周期和显微注射时间 图片来源文献1

3人类胚胎和小鼠胚胎显著的差异

在鼠和人体内,Oct4主要表达于胚胎干细胞及生殖干细胞中,对于维持胚胎干细胞的多潜能性和自我更新具有极其重要的作用。2012年获得诺贝尔奖的山中伸弥博士的实验室和其他很多人的研究已经表明,在生长在实验室培养皿中的体细胞中人工过表达Oct4对于将这些细胞重编程到诱导多能干细胞时是必不可少的。

尽管Oct4如此重要,但小鼠母体Oct4敲除后,胚胎仍可以没有任何缺陷地发育到足月。除非用Oct4等位基因同样缺失的小鼠精子受精,小鼠的胚胎才会出现发育障碍。

小鼠卵子/精子Oct4敲除后的发育简图 图片来源文献4

该研究中人类胚胎发育简图(Oct4 null 指Oct4被编辑失效的胚胎在箭头处暂停发育) 图片来源文献1

在人类胚胎上仍然需要做进一步的研究确定Oct4的作用。Niakan博士的研究小组发现,人类胚胎停止生长比缺乏该蛋白的小鼠胚胎要早,基因表达的模式不同。胎盘细胞也有意外的异常。

Niakan博士说后者的发现是特别重要的,因为研究人员缺乏合适的模型来研究胎盘发育和理解该过程中什么出了错。她说,这项研究还可能最终产生提高IVF成功率的方法,并有助于解释为什么有些妊娠失败。成功的IVF治疗的关键是依赖于能否提供对于胚胎发育最优的环境。目前的问题是许多胚胎在培养过程中停滞,或着床后不能继续发育。这项研究将有助于科学家们确定哪些必需因素能够确保人类胚胎发育成健康婴儿。

发育领域的科学家评论本文是了解人类胚胎发展的一个重要步骤,开创了人类功能遗传学的新纪元,是一个令人兴奋的第一步。这项知识的获得对于开发治疗发育障碍的新疗法是必要的,也有助于理解可能在生命早期产生的成人疾病,将为基础和应用开辟新的机会。

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