家畜育種者如今可利用胚胎幹細胞改善畜群的遺傳性狀。 圖片來源：HeshPhoto/Alamy Stock Photo
經過幾十年的努力，科學家最終成功地從牛身上獲得胚胎幹（ES）細胞，並在培養皿中使其保持原始狀態。獲得這些可變成從皮膚到肌肉、骨頭等各種組織的多功能細胞，將使調整和保存肉牛以及乳牛品種的遺傳性狀變得更加容易。這反過來又促成了產生更多牛奶或者更嫩牛肉、產仔時面臨更少併發症以及擁有更強的疾病抵抗力的動物。此項發現或許還為研究牛的基本發育和成為人類疾病模型開闢了道路。
「我原以為這輩子都不會看到此事發生。」美國密西根州立大學發育生物學家Jose Cibelli表示。他是上世紀90年代末試圖獲得牛ES細胞的團隊成員之一。自從以後的諸多努力中，當來自牛胚胎的幹細胞在實驗室中被生長出來時，它們會發育成其他細胞類型。這意味著它們很快喪失了多能性。
1981年，科學家成功分離出小鼠ES細胞，從而使他們得以研究早期胚胎發育並且測試遺傳缺陷的影響。此後不久，研究人員將目光轉向了牛。不過，直到1998年，研究人員才找到合適的營養基培養人類ES細胞。
作為目前正在分離牛ES細胞的團隊成員之一，Jun Wu在其職業生涯中極少關注牛。這位來自德克薩斯州西南醫學中心的幹細胞生物學家一直對從小鼠和人類身上獲得新的幹細胞種類更感興趣。他還對開發將來自兩個物種的細胞混合的嵌合體感興趣，比如擁有人類細胞並且可能有一天生長出移植用器官的豬。2015年，他同合作者報告稱，發現了很容易在實驗室和小鼠體內生長出來的新型人類多能幹細胞的正確培養條件。
不過，該項目的一位合作者盯上了另一項研究。此前曾在Cibelli實驗室工作的加州大學戴維斯分校生殖生物學家Pablo Juan Ross希望，這些相同的培養條件可能最終維持來自家畜的ES細胞的生長。這會使改善動物遺傳性狀變得更加容易。為此，這個還將發育生物學家Juan Carlos Izpisúa Belmonte及其在聖地牙哥索爾克研究所的團隊包括在內的研究小組，將從牛胚胎中分離出來的幹細胞暴露在新的培養基中。這種混合物擁有兩個關鍵組分：促使細胞生長和增殖的蛋白以及另一種抑制它們分化成更多成熟細胞類型的分子。
「他們同時利用了『加速器』和『剎車片』。」牧場主、科羅拉多州立大學生殖生理學家George Seidel表示。結果是：在實驗室中生長了一年多以後，細胞仍保留了多能狀態。「多年來，我的很多同事和學生一直試圖做到這一點。」Seidel說。當被注射進擁有較弱免疫系統的小鼠體內時，這些細胞生長成由多種細胞構成的畸胎瘤——真正的多能幹細胞的關鍵特徵。研究人員在日前出版的美國《國家科學院院刊》上報告了這一成果。
不過，Seidel表示，對牛ES細胞的興趣隨著克隆技術的發展而有所消退。利用產生多利羊的相同技術，即來自成年細胞的DNA被植入去掉了DNA的卵子中，家畜育種者能複製出想要的動物遺傳性狀，比如快速生長或者豐富的牛奶產量。擁有這些性狀的公牛為育種者帶來了豐厚的利潤，因為他們可以把精子出售給牛肉和牛奶生產商，而後者利用其為母牛實施人工授精並將更好的性狀帶給下一代。
不過，Cibelli介紹說，通常被用於產生這些克隆品的細胞——被稱為纖維母細胞的結締組織細胞很短命，並且僅能分裂20或者30次。而有了能生存很長時間的ES細胞，育種者可以更加輕鬆地抓住優勢細胞系，並且通過諸如CRISPR等技術對牛基因組進行多輪編輯。
即便未經過基因改造——一種消費者可能不願看到被用於牛排和奶昔的技術，ES細胞也能讓育種者更加輕鬆地選擇優勢動物。他們可以測試來自不同胚胎的ES細胞，以尋找諸如同更多牛奶產量相關的基因等遺傳優勢。Cibelli表示，一旦辨別出想要的一系列性狀，研究人員便能利用這些細胞創造出無限的克隆品。
對於Ross來說，最令人激動的應用依賴於其團隊目前的工作——闡明如何將這些ES細胞發展成牛的精子和卵細胞。如果他們成功了，家畜基因公司便可以將這些精子和卵子結合起來，以創建擁有新的遺傳組合的胚胎然後從最好的胚胎中分離出更多的幹細胞。他們可以利用這種循環——幹細胞、精子和卵細胞、胚胎、幹細胞——在無須任何動物出生的情況下加速改善後代的性狀。這意味著等待牛妊娠的時間變短，同時被浪費的動物變少。「它能使遺傳進度加速幾個數量級。」Ross表示。