从去年10月开始，京都大学的分子生物学家林克彦（Katsuhiko Hayashi）开始陆续收到来自世界各地的电子邮件，大多数都是不育的中年夫妇。其中一名来自英国、已经绝经的女士，甚至要求前来拜访京都大学的实验室，希望能够怀孕。“这是我唯一的愿望”，她这样写道。
　　事情源于他发表在《科学》杂志上的一篇论文。林和他的同事们成功地用小鼠的皮肤细胞，在体外培育了原始生殖细胞（primordial germ cells，PG细胞），用于发育生物学相关的研究。为了证明人工培育的PG细胞和生物体自然形成的并无区别，他将其培育成了卵细胞，再经体外受精育成小鼠。林说，小鼠的出生只是个“副反应”。
　　然而“副反应”却也意味深长：利用不育妇女的皮肤细胞“制造”受精卵，或许将就此成为现实。同时，由于男性的体细胞能够制造卵细胞，女性的细胞也能制造精子，同性恋产子也不再是虚妄之谈——事实上，林克彦收到的邮件中，就有来自同性恋杂志编辑的垂询。
　　突如其来的公众反应让林克彦和他的上级教授齐藤通纪（Mitinori Saitou）措手不及。事实上，他们已经花了十多年的时间，研究哺乳动物生殖细胞的产生过程，并尝试在体外进行人工模拟。

意外的惊喜

　　“干细胞”这个词，你也许并不陌生。它们是未经分化的细胞，具有形成多种组织器官的潜在功能，然而，如何通过人工的方法让它们变成生殖细胞，却一直是个难题。不同于一般体细胞，每个生殖细胞内只含有一套染色体。这也意味着，生殖细胞是通过减数分裂形成的，而不是通常的有丝分裂。
　　在小鼠体内，生殖细胞在胚胎发育的一周之后开始出现，最初的PG细胞大约有40个。正是这个微小的细胞团，而后一步步形成了母鼠体内成千上万的卵细胞，以及公鼠体内每天产生的以百万计的精子。齐藤通纪想要弄清楚，究竟是何种信号分子在指引并控制着这个过程。
　　过去数十年中，他发现了几种基因—包括Stella、Blimp1和Prdm14—它们的特定组合，以及特定的表达时间，在PG细胞的发育中起到了关键的作用。利用这些基因作为标记，他得以挑选出PG细胞，并且研究它们身上的变化。
　　2009年，齐藤在神户的理化学研究所（RIKEN Center for Developmental Biology）的实验室发现，当培养条件适宜的时候，只要在培养液中加入骨形态发生蛋白-4（Bmp4），并精确地控制加入时间，就能将小鼠胚胎细胞转化为PG细胞。Bmp4浓度足够时，转化率几乎达到了100%。这个结果来得如此顺利，以至于他自己也不敢相信。
　　齐藤这种谨慎观察的实验风格，和同领域的其他科学家不太一样。通常的研究方法，是用多种信号分子，不分青红皂白地去“轰击”干细胞，然后根据需要挑选出合适的分化类型。如此，虽然能够得到目标细胞，却没有人知道它们形成的确切机理，以及与非人造的有什么区别。齐藤所做的工作，就是排除多余的东西，弄清楚原始生殖细胞到底是哪种信号分子的作用，同时找到合适的作用时间。
　　直到2009年，齐藤的实验起点还是从小鼠胚胎提取的外胚层细胞，也就是胚胎发育第一周末期，出现在胚胎一端的杯状细胞团，恰好在PG细胞出现之前。为了对这个过程有个更清晰的了解，齐藤想培养一个能稳定产生PG细胞的细胞系。

用干细胞培养生殖细胞

　　这个计划交给了当年刚刚从剑桥大学回到日本的林克彦。巧的是，林在剑桥的博士后训练，和齐藤在同一个实验室完成。他们共同的导师苏拉尼（Azim Surani）对二位评价都很高，说他们俩“无论是性格，还是解决问题的风格和方式，都非常互补”。齐藤是“系统化的，对于设定及完成目标非常笃定”，而林“更依赖直觉，看问题的角度也更为广阔”。“他们两个组建的团队非常有力，”苏拉尼说。
　　林加入齐藤在京都大学的小组之后，很快就发现了这里跟剑桥的不同。在这里，人们很少对实验计划做理论上的考量，几乎是想到什么点子，就立刻着手做实验。“有时候这很没效率，但也有可能带来巨大的成功。”
　　林直接培养PG细胞的尝试没有成功，幸而他很快转变了方向。他在查阅文献中发现，在一种关键调节分子和生长因子的作用下，胚胎干细胞能够在体外转化为外胚层细胞的同源细胞。胚胎干细胞已经能够在体外大量培养，这启发了林：可以从胚胎干细胞出发，先分化为外胚层细胞，再用齐藤的方法培育为PG细胞。
　　这次他成功了。为了表明这些PG细胞的有效性，林得证实，它们确实能够分化为可育的精子或卵细胞。这一过程的原理非常复杂而未知，林决定让动物体来完成这件事情，于是他将PG细胞注入了不育公鼠的睾丸。齐藤认为他们大概有一半的胜算，终于在第三或者第四只公鼠身上，精液产生了。他们提取精液注射入卵细胞中，再把受精卵植入代孕母鼠体内。第一批“人造”小鼠随后诞生，有雌鼠和雄鼠，健康且可育。
　　他们继而用诱导性多功能干细胞（iPS细胞）重复了这个实验。iPS细胞由京都大学的山中伸弥2006年首先研制成功，是成熟细胞逆分化为类胚胎细胞的状态，山中也因此获得了2012年诺贝尔生理学或医学奖。实验进行得很顺利，这意味着，以iPS细胞为中间体，成熟的体细胞也能最终转变为PG细胞。
　　2011年，齐藤小组先用小鼠iPS细胞制成了可育的精子。卵细胞的制造要复杂一些，去年，林用正常小鼠的体细胞培育了一些PG细胞，先在体外和白化小鼠的卵巢体细胞一同培养，再植入其卵巢中发育成熟。这些宝贵的卵细胞经过体外受精诞下了幼鼠，当林看到它们的黑眼珠滴溜溜地在半透明的眼皮下转动时，他知道自己又一次成功了。
　　这在干细胞分化领域是鲜有的成就：科学家们常常争论的一个问题就是，他们用干细胞造出的各种细胞，到底能不能真正起作用。加州大学洛杉矶分校的生殖学专家克拉克（Amander Clark）说，“这是多功能干细胞研究中，仅有的几个分化出具有明确功能细胞的案例之一。”

巨大的科研价值

　　除了京都大学的研究组之外，也有其他研究人员在尝试人工制造PG细胞，但他们并不是用于培育小鼠。人工PG细胞对实验胚胎学的科研具有重要的意义：研究DNA的甲基化。
　　作为表观遗传的重要证据，DNA甲基化在很多时候能告诉你，这个生命体究竟经历过什么，比如在子宫中的化学物质暴露，甚至童年的饥荒或者心理阴影。与经典的孟德尔遗传法则不同，表观遗传是指在不改变DNA序列的前提下，由某些机制引起的可遗传的基因表达，或者细胞表现型的变化。
　　表观遗传的标记在胚胎发育过程中，能够指导细胞朝不同方向发展，然而PG细胞却很特殊，当它们发育为精子和卵细胞的时候，甲基化的标记被抹掉了。正是由于这一点，PG细胞才能够在日后形成全能的受精卵。

　　表观遗传中的微小差错，都有可能造成不育，或者诸如睾丸癌之类的功能紊乱。苏拉尼的研究小组，已经在利用人工PG细胞，研究几种酶在表观遗传调控中的作用，希望能破解表观遗传与此类疾病的相互作用。
　　有一点是确定的：人工培育的PG细胞为科研工作者们提供了充足的实验资源，这是前所未有的。最起码，他们不必再解剖胚胎获得那40个宝贵的PG细胞了。

遥遥无期的临床应用

　　尽管PG细胞发育成的小鼠看上去是健康可育的，但PG细胞本身看上去却不完全正常，第二代的PG细胞常常会产生易碎、变形或者异位的卵细胞。受精之后，有的卵细胞会形成含有三套染色体的受精卵，而通常情况下哺乳动物都应该是二倍体。另外，人工PG细胞的体外受精成功率只有通常情况的1/3。哈佛大学医学院教授张毅也发现，人工PG细胞不能够抹去表观遗传的标记。
　　在通往临床应用的道路上，首当其冲的技术问题在于，如何在体外制造成熟的精子和卵细胞，而不用把人工PG细胞植入睾丸和卵巢内。林正在试图解码这个过程中起作用的信号分子，一旦成功，就能够利用它们去诱导PG细胞的体外分化。
　　更为困难的挑战是如何将小鼠实验应用于人类。京都大学的研究小组已经开始用对付小鼠细胞的方法来处理人体iPS细胞，但林和齐藤都明白，人类的信号分子系统和小鼠是完全不同的。并且，用于实验的小鼠胚胎细胞相对容易获取，人类胚胎细胞却不能通过解剖的办法获得。
　　他们因此退而求其次，从猴子入手。不久前获批的1200万美元研究经费中，就有一大部分用于每周20个猴子胚胎的供应。林说，如果一切顺利的话，他们能够在5-10年内在猴子身上重复小鼠实验，之后经过一些调整，有望应用于人类。
　　然而，利用PG细胞进行不育治疗仍然是个很大胆的做法，包括齐藤在内的很多科学家，都呼吁人们谨慎。iPS细胞和胚胎干细胞都很容易在培养过程中，发生染色体异常、基因突变和表观遗传紊乱，微小的错误逐渐累积，可能会在几代之后才表现出异常。
　　若能证明这项技术对猴子是安全的，则有可能打消人们的顾虑。但是，究竟要生出多少健康的猴子，才能证明其安全性，又应该观察多少世代呢？
　　理想的前景大概是这样：一种新的、非破坏性的影像技术能够让医生准确地挑出好的胚胎，那些看上去正常的，才能被植入人体，发育成胎儿。研究经费也许会来自私人资金，或者对胚胎研究限制更少的国家。
　　一些更加不可思议的繁殖方式都可能由此出现。比如，理论上来说，男性的皮肤细胞也能够用来制造卵细胞，从而与精子结合，然后在代孕妈妈体内发育成胎儿。有些人怀疑其可能性——辛克斯顿团（the Hinxton Group），一个讨论干细胞伦理的国际科学家的协会就表示，从男性的XY体细胞中产生卵细胞，以及从女性的XX体细胞中产生精子，都是不可能的。
　　齐藤制造的精子来自雄鼠，卵细胞来自雌鼠，但是他认为反过来也没有问题。PG细胞没有性别之分，分化为精子还是卵细胞，由培养环境决定。如果是这样的话，同一只小鼠产生的精子和卵细胞也能产生受精卵，产生自体繁殖的小鼠。这是从未有过的生物，但林和齐藤都不打算尝试，“只有存在一个好的科研理由时，我们才有可能考虑。”目前，他们还没有看到这方面的必要。
　　林和齐藤都已经感受到了来自不育患者和日本财团的压力。这种技术，对于体外受精无效的不育妇女，以及因患病而无法产生精子或卵细胞的人，也许是最后一线希望。林无奈地警告了给他写信的人们，可行的不育治疗手段在10年甚至50年之后才能成熟。“我觉得这是很遥远的事，我不想给人们无谓的念想。”
　　（原文刊载于《自然》杂志）