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打造物种保存的“诺亚方舟”,科学家从冻干保存的体细胞中孕育新生命

发布日期:2022-08-05 21:04    点击次数:57

▎药明康德内容团队编辑

诺亚方舟源自《圣经》中的一个故事,在大洪水来临之际,上帝授意诺亚打造了一艘巨大的船只,带着家人及世界上的动物雌雄各一对,逃离了这场灾难并重新繁衍生活,这艘留存了生命火种的船只即为“诺亚方舟”。近期,日本山梨大学的Teruhiko Wakayama博士所领导的研究团队成功探索出保存生物体细胞的冷冻干燥新技术,冻干后的细胞核经复苏移植到去核卵子中可重新产生健康的幼崽。该技术的问世,仿若诺亚方舟,为生物物种遗传资源的保存提供了安全可行的方案。

在克隆羊多莉诞生仅仅2年后,夏威夷大学的科学家报告了生殖技术领域的另一重大突破——他们用冻干的精子成功克隆出了小鼠。现在,Wakayama博士的团队将两种技术相结合,证明被冻干储存9个月后的体细胞也可以克隆出健康的小鼠,该研究成果于近日发表在《自然》杂志的子刊Nature Communications。这一研究突破引发了人们无限想象:运用该技术科学家不仅可以保存珍稀物种,甚至有朝一日重现那些已在地球上消失的数十万种生物。

一般来说,储存动物组织的常用方法是将它们浸入液氮罐中,在低温条件下实现长期保存,这种方法除了需要耐低温的储藏容器之外,还需要定期补充液氮以维持零下385华氏度的低温环境。相比之下,冷冻干燥细胞可以在室温条件下储存于真空密封的小玻璃瓶中,这是一种更经济实惠的储存方案,也不太容易受到自然灾害和其他不可预见的供应链问题(如液氮短缺)的影响。

在这篇研究中,研究者从雌性黑毛小鼠的卵母细胞周围采集了卵丘细胞,这是一类与卵泡发育密切相关的体细胞,它们在卵母细胞发育过程中为卵子的生长成熟提供了支持作用。他们将这些细胞浸入液氮中,随后降低压力,直到细胞内的所有水分升华成蒸汽。经历了这一过程后,细胞已经失去了生命活性,但是它们留下的冻干粉末却完整保留了生命信息——DNA,尽管此时冷冻干燥的技术操作已经对这些DNA造成了一定程度的损伤。9个月后,精准人工计划网页版研究人员对这些冻干粉末进行再水化,并将数百个细胞核转移到其他黑毛小鼠的卵子中,移植了异体细胞核的卵子成功发育至早期胚胎阶段(囊胚期)。研究者从这些囊胚中采集了部分细胞并建立了胚胎干细胞系,之后这些胚胎被移植进入白色皮毛的代孕小鼠子宫内。在该研究中,被移植的胚胎大约有2000个,其中成功诞生了19只小鼠,这些小鼠的皮毛是黑色的,四肢齐全,并且看起来非常健康。当Wakayama博士的团队用雄性和雌性小鼠尾尖细胞重复上述过程后,他们克隆出了56只小鼠。

▲从体细胞产生克隆小鼠的流程示意图(图片来源:参考资料[1])

研究人员将第一只出生的克隆小鼠命名为“Dorami”,这是一只雌性小鼠,它成功长大并进行配对交配、产下了健康幼崽。该研究中的所有雌性克隆小鼠都产下了健康小鼠幼崽,雄性克隆鼠也都表现出了正常的生育能力。科学家们将其他克隆小鼠进行安乐死处理以开展更详细的研究,但唯独留下了Dorami,以观察在它的生命之初所经历的技术处理是否会缩短它的寿命。Dorami的寿命达到了实验室小鼠的平均寿命长度。

当问及成功背后的原因,Wakayama博士在接受STAT采访时将这次研究的成功归功于过去二十年来的诸多“小因素的积累”,比如发现了保护性化学制剂的配方、他的实验室对遗传物质转移技术的改进等等。过去的他并不总是相信这种实验能够成功,这个悲观的态度并不是毫无来由的。早在1998年Wakayama博士就与合作者发表了冻干精子的研究成果,其他科学家应用该技术成功克隆了包括大鼠、仓鼠、兔子和马在内的多个物种,甚至在去年,科学家使用在国际空间站上接受了6年辐射的冻干小鼠精子依然成功产生了幼崽。但事实上,精子是极为特殊的一类细胞,它们的染色体被高度压缩进入致密的细胞核结构中,因此细胞核中水分子的空间更小。相比之下,体细胞的细胞核结构更为松散、流动性更强,这使得它们在去除水分时更容易出现DNA损伤。二十多年来,除了精子之外,对其他任何细胞进行冷冻干燥保存的努力均以失败告终。

图片来源:123RF

尽管如此,仍有部分科学家继续努力实现这一技术突破。栖息地丧失、气候变化和人类活动等因素将更多物种推向灭绝,动物保护组织开始倡议将世界各地生物物种的遗传物质保存在生物库或“冷冻动物园”中。从生物遗传资源保存及物种繁育的角度来说,保存卵子和精子的细胞核是最理想的,但从任何动物身上获取卵子都不是一件容易的事情,需要在B超引导下进行穿刺取卵,并且只有受过专门培训的技术人员才能够进行这一操作。相比之下,精子的收集相对容易,但仅有精子没有卵子,也还是无法对物种进行完整保存。这更加凸显了Wakayama博士所开发的这项体细胞冻干保存技术的重大意义。

不过,这项技术也并非尽善尽美,还有需要改进的地方。专注于珍稀物种保存的非盈利组织Revive & Restore的资深科学家Ben Novak博士在接受STAT采访时对这项研究发表评论,他认为尽管这些研究是“不可思议的壮举”,但目前该方法效率不高,并且冻干体细胞需要保存在零下22华氏温度中,这需要耗费电力来维持,而对于世界上某些地区来说,稳定的电力供应显然没有定期填充液氮罐容易。此外,为了探明对体细胞长期有效的保存策略,还需要对储存超过9个月的细胞来进行进一步的研究。尽管如此,对于从事生物物种资源保护的学者来说,“能在当下保存物种资源比掌握从这些资源中克隆或培育生物的技术更加重要”,Novak博士补充道,“只要我们能以某种方式保存下完整的细胞核或者活细胞,最终总会有人创造新技术来使用它们。”

据悉,Wakayama博士的团队并不打算止步于此,他们正专注于研究从长期冻存的动物样本和随尿液/粪便脱落的细胞中回收细胞核的技术,希望为未来的物种保护工作提供更多收集遗传物质的方案选择。

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