Nature：一个娃娃三个“帮”

小丫 · 发表于 2014-8-22 15:55:26

将不健康的人体卵子细胞DNA转变为正常DNA的新技术即将投入临床应用实践工作，不过使用该技术诞生的小宝宝却有三位生物学家长。

神经科大夫Douglass Turnbull医生有很大一部分时间都在接诊患有不可治疾病（而且往往都是致命性疾病）的患者。但是在面对 Sharon Bernardi和她的小儿子Edward时，却让Turnbull大夫感到了前所未有的无助。

Bernardi已经失去了3个孩子，而且这些婴儿都是在出生之后就夭折的。这主要是因为他们在出生之后，血液里很快就会产生出大量的酸（acid），导致酸中毒。所以一直健康成长（至少看起来是这样）的Edward让 Bernardi感到非常欣慰，他回忆说： “Edward不断地带给我们惊喜，从最开始能坐起来，能爬，直到14个月时开口说话，带给我们很多的欢乐。”但是在Edward大概2岁的时候，他从楼梯上摔了下来，然后就出现了癫痫（seizure）发作的情况。到1994年时 Edward已经4岁了，他被确诊为利氏病（Leigh’s disease），这是一种累及中枢神经系统的疾病。医生告诉Sharon，小Edward可能最多也就能活到15岁。

当时在英国纽卡斯尔大学（Newcastle University, UK）工作的Turnbull至今还记得他当时绝望地说道：“不论我们做什么，我们都帮不了他们。”这种绝望也促使他决定开发一种辅助生殖技术（assisted-reproduction techniques），阻止更多类似于利氏病这样的先天性疾病患儿出生。利氏病是一种线粒体疾病，线粒体是细胞内的能量工厂，这些患儿因为遗传了DNA发生突变的线粒体而患病。

这种辅助生殖技术也常常被称作三人体外受精技术（three-person in vitro fertilization, three-person IVF），之所以称作“三人”是因为该受精卵里含有来自父亲的DNA、线粒体DNA发生突变的母亲卵子核DNA，以及另外一个健康妇女的线粒体DNA。Turnbull等人用体外培养的小鼠、猴和人的卵子细胞进行了试验，他们认为，现在是时候开展人体试验了。英国国会准备在今年晚些时候对该试验进行投票表决。如果最终立法通过，英国将成为世界上第一个允许对受精卵（胎儿）进行遗传改造的国家。

但是有一些科学家对该技术的安全性提出了质疑，社会活动家、伦理学家，以及政治家们也越来越多的表示，对这种提案投赞成票势必会加快人工设计婴儿（designer babies）合法化的步伐。美国的管理机构和科学家们也都非常关注这个事件的发展和动向，因为美国也正面临同样的问题。美国纽约一家非盈利研究机构——纽约干细胞基金会（New York Stem Cell Foundation）的干细胞研究人员 Dieter Egli这样评价道：“对于英国政府的这种行为，我表示非常钦佩，和咱们美国相比，他们在这件事情上所达到的程度是大大领先的。”

致命的遗传问题

目前主流的观点认为，在很久以前，线粒体是一个独立存在于大自然中，能够自主生活的细菌，直到后来被细胞所捕获，成为为细胞提供能量物质ATP分子的“发电厂”。因此，每一个线粒体都有属于它们自己的基因组，不过这些线粒体已经不再独立生活，所以有很多与独立生活相关的基因也都慢慢丢失了，比如在人类细胞的线粒体基因组中，现在只剩下了 37个基因。

我们知道，细胞核基因组含有两条分别来自父亲和母亲的染色体，可是线粒体基因组就不一样，它完全来自于母体细胞（卵细胞）。基于一些目前还不太清楚的原因，线粒体基因组的稳定性要比核基因组差很多，线粒体基因组DNA发生随机突变的速率比核基因组大约快1000倍。平均在5000个新生儿中就有一个患有线粒体（基因突变）疾病，这类疾病主要累及对能量需求较高的组织和器官，比如大脑和肌肉等组织。而且病情的严重程度也与异常线粒体的多少密切相关。

Turnbull是在20世纪70年代末时开始对线粒体疾病和能量代谢问题产生兴趣的，当时他还是神经科病房里的一名低年资小医生。有一天，一位英国皇家空军的飞行员前来就诊，他患有一种怪病，不能参加训练跑，只要一跑步，他的肌肉就会突然变得无力，使他无法继续。Turnbull一开始就想到了线粒体疾病，不过最终发现他的诊断错了，但是这并没有打消他对线粒体疾病的好奇心。

Turnbull发现，对于线粒体疾病基本上没有太好的治疗手段，只有一些治标的办法，比如用一些抗惊厥药物（anticonvulsant drugs）缓解癫痫症状等，完全没有彻底治本的方案。他介绍道：“你只能眼睁睁地看着这些线粒体疾病患者，却束手无策。”于是这位年轻的神经科大夫决定继续去攻读博士学位，深入了解线粒体疾病的内在发病机制，并且将他的毕生精力全都投入到了线粒体异常（malfunction）这个研究方向上。

Turnbull在 20世纪 90年代中期遇上了 Bernardis一家，肌肉活检证实，Sharon携带了线粒体突变。Sharon回忆道：“Turnbull当时拿到检查报告时都不敢相信他的眼睛，因为我看起来挺正常的。”不过这个诊断也帮助Sharon解释了她们家发生的那些健康问题。Sharon的母亲也有过好几个孩子夭折的经历，而且在她50岁的时候，心脏也出现了问题；Sharon的一个表亲，以及其他几个家族成员也都有过失去新生儿的经历。Bernardi介绍道：“我们整个家族都有问题。”在生下Edward之后，Bernardi又陆续失去了3个孩子，她的悲惨经历激励着Turnbull，让他必须找到办法，阻止这些孩子患上线粒体疾病。

也有其他一些科研人员在做着同样的工作。比如在 20世纪 80年代时就有一帮胚胎学家用 “原核转移技术（ pronuclear transfer）”进行了小鼠试验，他们想了解卵细胞的胞质（cytoplasm）对于胚胎发育的意义和作用。整个试验其实很简单，就是将受精卵的核物质转移到另外一个去核的卵细胞里。 1995年，有科研人员提出，使用这种技术可以“治疗”人线粒体疾病。

Turnbull的实验室在21世纪初与生殖生物学家，英国纽卡斯尔大学的Mary Herbert，以及纽卡斯尔大学附属临床生殖中心（affiliated fertility clinic）的Alison Murdoch合作，开始尝试开展这种原核转移小鼠动物试验，他们希望能够很快在人卵子细胞上开展类似的试验。他们的计划是先对未正常受精，不能够发育成胎儿的卵子细胞开始试验。

为第一个试验获得监管层的同意就用掉了整整 18个月。英国人类受精与胚胎管理局（The UK Human Fertilisation and Embryology Authority, HFEA）曾经两次驳回了他们的试验申请，因为这种试验会改变卵细胞的“基因结构（genetic structure）”，根据《1990人类受精和胚胎法案》（1990 Human Fertilisation and Embryology Act），这种试验是违法的。Turnbull他们则回应称， “基因结构”这个词非常模糊，不适用于原核转移技术，并且提出了第三次上诉，而且还聘请了律师参与整个过程，最终在2005年赢得了胜利。

与此同时，英国议会也对1990法案进行了修订。修订稿于2009年正式生效，并明确指出，禁止将原核转移技术应用于临床实践工作，但是相关问题可以不经完整的法律流程，直接提交议会讨论和审议，这就留下了一个很大的空间。这次修订让Turnbull等人非常激动，因为如果他们的研究取得成功，还是有希望在将来的某一天走进临床的。

不能抖的手

人卵细胞的直径大约为0.1毫米左右，所以只能在显微镜下，在一个特制的、温度和气流都受到严格控制的试验皿里对人卵细胞进行原核转移试验。这就需要试验操作人员的手非常稳，Herbert介绍道：“我们在做这个试验的时候都是屏住呼吸的。”

首先，他们会用激光在受精卵的细胞膜上打一个孔。然后胚胎学家会将一个移液器从这个孔伸入细胞内，吸取受精的原核物质（pronuclei）。接下来，实验人员还会将另外一个受精供体卵的核物质吸出，然后将之前吸取的原核物质注入这个供体受精卵细胞内。整个试验过程大约需要几分钟（详见 go.nature.com/ufatcq网站视频）。如果英国政府最终允许在临床上开展原核转移实践，那么经过人工操作过的受精卵还得在细胞培养箱里继续呆几天，直到发育成含有50至200个细胞的胚泡（blastocyst），才能将其植入到待孕母亲的子宫内。

Turnbull的课题组在2010年5月发表了一篇文章，他们证实，使用原核转移技术对异常受精卵进行改造之后，受精卵能够继续正常发育，就好像没有受到过人工干预一样。更重要的是，这种原核转移操作几乎不会带入线粒体结构，所以最终发育成熟的胚胎完全不会含有异常的线粒体基因组。

不过也存在一些问题。比如这种原核转移操作的效率如何？是否不会影响孕妇受孕？这种操作是否会对受精卵造成分子或遗传学上的微小改变，给受精卵的发育造成影响，甚至在婴儿出生后带来健康方面的不利影响？英国政府会同意原核转移技术应用于临床吗？

近几年来，Turnbull的课题组一直在寻找上述这些问题的答案，也一直在使用健康的人卵细胞优化他们的技术。Herbert介绍说： “对于该技术的受孕机率问题，我们很有把握。”目前的试验工作进展比较缓慢，这主要是由于他们试验用的健康的人卵细胞比较难以获得。不过Herbert表示，他们已经开展了 100多次健康人卵细胞原核转移试验。他们还计划开展安全相关试验，了解该试验操作是否会对卵细胞的基因组及表观遗传学带来影响和改变。不过他们也承认，这种试验结果还不能够100%地保证该试验操作不会对人体造成影响。“我们永远都不能说这种技术是绝对安全的。不过从某些方面来看，它是可以应用于临床治疗的。” Herbert这样说道。

背景知识框：计划之外的试验

线粒体转移操作的先驱

美国新泽西州圣Barnabas医学中心（Saint Barnabas Medical Center in Livingston, New Jersey）的生殖专家Jacques Cohen最初是想开发一种能够帮助千千万万个不孕不育家庭拥有自己孩子的辅助生殖技术，但是没想到最终却开创了一个能够帮助我们判断线粒体置换疗法（mitochondrial-replacement therapies）是否能够安全地应用于人体的试验技术。在20世纪90年代中期，Cohen正在想办法帮助一小部分不能正常受孕的妇女，这些妇女

都有足够多的卵子细胞，可进行体外受精操作。这些妇女的年龄并不太大，但是她们卵子细胞的质量却不太高，胞核周围的胞质呈现出碎片状。

Cohen想看看如果往这些细胞里加入一点健康卵细胞的胞质物质会带来怎样的改变。于是他先用小鼠进行了试验，结果非常不错。然后他们课题组于1997年开始尝试采用这种胞质转移技术（cytoplasm-transfer technique）对人卵细胞进行试验。他们非常辛苦地让33个不孕妇女的卵细胞变得正常了，使用的正常卵细胞胞质量还不到1皮升（picolitre，即10-12升）。最终诞生了17名健康的宝宝。

Cohen意识到这种胞质转移操作可能会带入供体细胞的线粒体，他原本也希望如此，因为他认为这些线粒体有助于胚胎的发育。他们在2001年发表文章介绍了该研究成果，研究发现，至少有2个宝宝体内含有来自供体细胞，以及他们各自生母的线粒体。Cohen团队也是世界上第一个用这种技术改变人体遗传物质的科研团队。

这种改变对新生儿健康的影响作用目前还不得而知，小鼠研究表明，这种线粒体混杂的个体在中年之后容易患上高血压病和肥胖症，而且认知功能也会受损，比如在做迷宫试验时耗费的时间会比正常小鼠更多。有一名线粒体混杂的婴儿被诊断出患有自闭症，还有两个胎儿确诊患有Turner综合症（Turner syndrome），其中一人流产，另外一个人工终止妊娠。

因此Cohen团队在2001年终止了试验计划，因为美国食品与药品监督管理局（FDA）要求他们在进行人体试验之前必须进行更多的前期研究。不过没有人继续跟踪那17名新生儿，他们现在应该都是青少年了。

现在在美国Reprogenetics胚胎移植前遗传诊断公司（pre-implantation geneticdiagnostics）担任实验室主任的Cohen希望改变这一切。他与圣Barnabas医学中心的科研人员一起开展了一个2期后续研究项目，他们的工作就包括对那些家庭进行电话跟踪访问，以及对当年诞生的新生儿进行唾液检测。唾液检测结果就可以告诉我们，这些孩子是否属于线粒体混杂个体。

生殖内分泌学家Serena Chen早在1999年时就参加了Cohen的科研工作，他目前是圣Barnabas医学中心整个项目的负责人。Chen认为，现在是开展这项研究工作的最佳时机。他们的研究结果对于美国和英国正在开展的大讨论也有非常重要的参考意义。

“我们认为，我们的这个随访结果对于其他同行们非常重要，我们用确凿的证据可以证明，现在是考虑开展遗传物质转移人体试验的时候了。” Chen这样说道。

激烈的争论

2010年，英国纽卡斯尔大学的研究者们要求英国政府考虑修改法律，准许他们将线粒体置换技术应用于人体。该要求引发了一系列的听证会、专家咨询会和系列报告，独立科学家、生物伦理学家、管理部门以及普通公众全都参与到其中，在接下来的几个星期里还会陆续发表好几篇科学综述来讨论这个问题。但是冗长的程序并没有带来实质性的进展。

Nancy Lee是英国最大生物医学研究基金——Wellcome基金会（Wellcome Trust）的高级政策顾问，她认为本文是一个非常好的、能够帮助政府制定决策的证据，而且也尽可能地向公众传递了大量的信息。Wellcome基金会已经为Turnbull的课题组投入了440万英镑（约合740万美元）的科研经费，而且也为促成修订相关法律做了大量的工作。

不过还有很多科学家认为线粒体置换技术没有经过严格的审查。德国图宾根大学（University of Tübingen in Germany）的进化生物学家Klaus Reinhardt就很担心核基因组与线粒体基因组不兼容的问题。核基因与线粒体基因都是保证线粒体正常行使功能必不可少的要素，Reinhardt认为这两者之间存在共进化的关系。多项研究也一经发现，小鼠、果蝇，以及其它生物的线粒体置换试验也经常会导致呼吸、认知、生育等方面的问题。所以 Reinhardt也向一个负责科学审核工作的委员会表达了他自己的担忧，他认为目前还没有足够的安全性数据表明该技术可以进行人体临床试验。他说道：“我真的不太清楚这项技术有多么安全。” Turnbull的团队用线粒体置换近亲交配动物试验进行了回应，而且还指出，其他小鼠线粒体置换试验并没有发现健康问题。

很多批评者都用到了更加情绪化的语言。比如保守党议员Jacob Rees-Mogg在今年3月召开的议会辩论中和《每日电讯报》（The Daily Telegraph）的一篇社论中都将线粒体置换术等同于基因克隆技术，而且他还认为线粒体置换术就是一种人工优生技术（eugenics）。他在一次辩论中这样说道： “在一个对转基因农作物高度敏感的国家里，我们却敢于支持‘转基因’宝宝。”

一个有几十名学者和生物伦理学家（主要来自宗教研究机构）组成的国际组织也于 2013年3月在一封写给《泰晤士报》（The Times）的邮件中表达了类似的担忧，他们担心线粒体置换术会打开人体遗传学改造的潘多拉魔盒，带来不可预知的后果。

为了应对这些反对者，Turnbull以及其他一些支持者指出，线粒体置换术只会被用来预防严重线粒体疾病。他们还举了很多活生生的患者案例，比如Bernardi一家。还形象地将线粒体置换术比作给照相机换电池（不过很多科学家认为这是个烂比方），以及线粒体DNA在整个细胞基因组当中只占很小的比例，几乎不会对一个人的性状带来任何影响等等。 Turnbull介绍道：“这可不是为了人工设计出一个婴儿，这是为了预防很多种非常严重、会危及生命，或者让人致残的疾病。”

猴子试验

在大西洋另外一边的美国也在进行着一场类似的争论。就在Turnbull他们开展人卵细胞原核物质转移试验的同时，一个美国的课题组也正在用猴动物试验开展着类似的工作。2009年，美国俄勒冈卫生科技大学（Oregon Health and Science University in Beaverton）的生殖生物学家Shoukhrat Mitalipov等人报道，他们使用一种名为母体纺锤体转移技术（maternal spindle transfer，详见附图介绍）的线粒体置换术产下了一对健康、活泼的小猕猴双胞胎。这两个小家伙名叫Mito和Tracker，源自一种用于制备线粒体的试剂名称。纺锤体转移技术是将一个卵细胞的核物质转移到另外一个去核的卵细胞内，然后对重组的卵细胞进行体外受精操作，而不是像原核转移技术那样，先进行体外受精，然后再将原核物质进行转移。目前关于这两种线粒体置换技术还没有开展过头对头的效果比较，不过这两个课题组都很想比比看。

Mitalipov的课题组用这种方法使5只试验猴受孕，其中有一只试验猴使用的还是冷冻卵细胞（为了模拟临床实际情况）。Mito、 Tracker以及另外两只小猴出生于2009年，现在都已经5岁了，还非常健康。Mitalipov打算等这些小猴长大之后对它们的生殖能力进行检测。他们课题组还用人卵细胞对这种纺锤体转移术进行过试验，受精卵也能够发育成胚泡（不过比例较低），也能够生成可以分化出所有人体组织的胚胎干细胞。据Mitalipov介绍，他们目前已经极大地提高了成功率，不过这些工作目前尚未发表。“我们就等着进行胚胎移植了”，他介绍道。

但是首先他们必须获得FDA的批准。FDA从2001年起就开始要求所有计划开展线粒体置换试验的科研人员向他们提出申请，获批后方可开展试验。在此之前，美国新泽西州一家生殖中心就曾经开展过几十例胞质（包含线粒体）置换操作，以提高受孕率。

Mitalipov在去年申请开展人体临床试验， FDA的一个咨询委员会在今年2月讨论了他们的提案。该委员会经过了2天的讨论，讨论的议题与英国方面大同小异，主要包括如何确保安全和成功率问题，首个人体试验应该如何开展等问题。委员会主席，美国加利福尼亚州Sanford-Burnham医学研究中心（Sanford-Burnham Medical Research Institute in La Jolla, California）的干细胞生物学家Evan Snyder表示，他们绝大多数人都倾向于为患者提供细胞疗法，他们也知道这对于患儿家庭意味着什么。不过他也提到：“我认为大家对目前未知的问题还心存疑虑。”有好几位委员会成员都希望看看使用这种技术产下的好几代试验猴的健康状况如何，他们同时也希望对人卵细胞试验进行更多安全方面的研究。

Mitalipov对这个讨论结果感到非常失望。他说道：“我可不想再回去做十几二十年试验，虽然我们能这么做，但是在这十几二十年间，每年都会有成千上万的患儿出生，给他们自己，以及他们的家庭带来无尽的痛苦。”Mitalipov表示他会把实验室搬到英国，尽快用这项技术帮助无数有需要的家庭。不过 Snyder却将该委员会的讨论结果看作是个好消息，他感觉临床试验解禁近在咫尺，而且他认为在两三年之内就会解决线粒体置换技术的安全性问题。

让我们再回到英国，英国的立法机构还在琢磨线粒体置换术应用于临床的相关法律，有关草案的审议会已经于5月21日结束，支持者们都坚信议会会通过这项法案。该法案获得了整个政治体系的支持，而且绝大部分提交给政府的科学及伦理学建议也都是积极的。但是，仅仅修改一项法案还很难让HFEA为线粒体置换术走向临床开绿灯，他们还需要更多该技术安全和成功率方面的试验数据。

Bernardi希望临床试验早日开展起来。不过她也认为借助该技术受孕对于很多人也是一个喜忧参半的事情。她的儿子Edward虽然现在只能坐轮椅，而且健康状况每日愈下（痉挛、手臂僵硬、无法运动），但是他的情况还是比医生预计的要好。Bernardi在尽力为 Edward提供一个正常的生活，让他上学，和同学去郊游，恋爱等等。“他喜欢他们班的一些女生，真的。”Bernardi很认真的说道。 Bernardi一直拒绝用吸管给Edward喂食，直到他20岁时已经无法正常的吃东西了为止。 “直到最后那十几个礼拜，Edward的生存质量在此之前一直都非常不错。”Bernardi说病，时年21岁。Bernardi说道：“这种技术道。对我已经帮不上什么忙了，但是却能够帮助像 Edward Bernardi于2011年3月死于利氏Edward那样的孩子。”

原文检索：

Ewen Callaway. Reproductive medicine: The power of three. Nature, 21 May 2014; doi:10.1038/509414a

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