三親嬰兒:線粒體移植可能有哪些風險?

（譯 / 瑪雅藍）2016年9月，紐約新希望生殖中心（New Hope Fertility Center）的生殖內分泌學家張進（John Zhang）及其團隊宣布，他們讓一位攜帶致命基因缺陷的母親生下了孩子。這吸引了全世界的目光。研究人員採用了一種名為線粒體移植療法的技術，將來自兩名女性和一名男性的DNA進行融合，以彌補基因的缺陷，「造」出了一個健康的男嬰。可以說，這個孩子有三個生物學上的父母。這預示了試管嬰兒技術的一個重大飛躍，然而張進團隊不得不在墨西哥完成操作，因為這項技術在美國還未得到批准。

張進抱著新生的三親嬰兒。為保護隱私，嬰兒面部做了模糊處理。（圖片來源：New Hope Fertility Center）

這個男嬰對他的生母而言可說是個喜出望外的禮物。這名母親卵子的線粒體中有一個突變，可引發萊氏症候群（Leigh Syndrome），一種進行性神經紊亂。在二十年間，這個突變導致她四次流產，並使得她的兩個孩子死亡。線粒體是細胞中的能量工廠，攜帶著自己的DNA，與細胞核中的基因組相互獨立。線粒體移植術用來自卵子捐獻者的健康線粒體取代了母親卵子中的缺陷線粒體，隨後用父親的精子使融合後的卵子受精。

這項技術很快傳開，並於2016年12月15日得到了英國人類生育和胚胎學管理局（Human Fertilization and Embryology Authority）的官方批准。這項政策將允許診所申請操作許可，預計今年年初就會迎來第一批患者。

但為什麼15%的移植病例會失敗？

儘管榮譽接踵而來，這項技術仍然受到了一些專家的質疑——尤其在去年12月《自然》發表了一項裡程碑式的研究之後。這項研究由位於波特蘭的俄勒岡健康與科學大學胚胎細胞與基因治療中心主任舒克拉特·米塔利普夫（Shoukhrat Mitalipov）主持。該研究發現，在大約15%的病例中，線粒體移植會失敗，無法避免致命性缺陷的發生，甚至會增加兒童對新的疾病的易感度。這項研究證實了許多研究者的疑慮，並且米塔利普夫及其團隊明確指出：外來線粒體基因和原先的線粒體基因之間的衝突確實存在，為了避免可能發生的不幸後果，需要對卵子捐贈者和接受者進行更加複雜的對比匹配，比如將線粒體基因相似的母親進行匹配。

米塔利普夫提出，應當對母親與捐獻者的線粒體進行配型，就像獻血一樣。（圖片來源：Oregon Health and Science University）

米塔利普夫表示：「這項研究展示了對生殖系進行基因治療的潛力和風險。這在線粒體上面體現得尤其明顯，因為它的基因和細胞核基因組大不相同。」

他補充說：「線粒體基因的微小變異最終會產生很大的影響。」

在某種意義上，線粒體就像是住在細胞裡的外星人，這就是風險的來源。二十億年前，它們還是原始湯裡自由漂浮的細菌，隨後，一個這樣的微生物和另一個自由漂浮的細菌融合了，隨著演化的進行，它們組成了一個完整的細胞。這些細菌最終演化成了線粒體，它將大部分的基因遷移到細胞核裡，自己只留下幾十個，其中大部分是用來幫助它產生能量的。

今天，我們的核基因組包含大約2萬個基因，但線粒體中只有差不多37個基因。並且這兩個基因組在很大程度上是共生關係，線粒體攝入的蛋白質中實際上有99%是在細胞核中製造的。

線粒體也會分裂和複製，就像它們曾經的形態——細菌一樣。由於持續進行複製，它的基因發生突變的概率是細胞核基因的10到30倍。如果過多的線粒體出現功能異常，整個細胞都會受到影響，還可能引發嚴重的健康問題。線粒體缺陷和某些基因疾病以及許多慢性病有關，如不孕不育、癌症、心臟疾病和神經退行性疾病。當線粒體出現問題，細胞的生物能量就會受到損害。

通過替換有缺陷的線粒體，生下三親嬰兒，這或許能解決這些問題。但它也帶來了風險，因為操作並沒有把有缺陷的線粒體全部換成健康的線粒體。移植母親的細胞核就好像從地裡拔起一棵植物，植物的根部仍然會附著一點點土壤——在這個案例中，土壤就是母親的線粒體。這就造成了大自然中從未出現的一種局面：來自兩名女性的兩個不同的線粒體基因組，被迫在同一個細胞中共存。大多數情況下，一小部分（通常小於2%）的缺陷線粒體仍然留在細胞中，但哪怕是這樣小的一個比例也足以造成影響。

線粒體移植過程中，不可避免地會帶入一部分原本的缺陷線粒體。（圖片來源： dx.doi.org/10.1016/j.molmed.2014.12.001）

在這項新研究中，米塔利普夫製造了一些三親胚胎，使用的卵子來自三位攜帶了變異的線粒體DNA的母親以及十一位健康女性。胚胎隨後分化為胚胎幹細胞，能夠永久存活並不斷複製，以供研究。（胚胎幹細胞能夠永久複製下去，並且具有多能性，也就是說它們能夠分化為成人體內的兩百多種不同細胞。）

在三個案例中，來自母親的變異線粒體DNA又重新出現在胚胎幹細胞中。

米塔利普夫說：「來自母親的『原裝』線粒體DNA佔了上風，而且十分活躍。從線粒體移植後到受精前，來自母親的線粒體DNA還不到1%，但它隨後佔領了整個細胞。」米塔利普夫警告說，這樣的逆轉也許不僅僅發生在胚胎幹細胞裡，也可能發生在胎兒在子宮中發育的過程中。而更棘手的是，米塔利普夫發現某些線粒體DNA能夠刺激細胞更快分裂，這就意味著，含有來自母親的線粒體DNA的細胞哪怕只佔少數，也有可能隨著胚胎的發育而最終佔據主導地位。

為什麼有缺陷的線粒體反而佔了上風？

一小群DNA有缺陷的線粒體，為什麼能夠殺死其他99%健康的外來線粒體，攻佔整個細胞？加利福尼亞大學的分子生物學家派屈克·歐法雷爾（Patrick O』Farrell）稱，一些線粒體基因組複製的速度比其他基因組更快。他認為這項新研究令人印象深刻，並且研究結論與他的看法一致。

歐法雷爾解釋，一個攜帶疾病的基因組可能表現得像一個複製能力超強的「欺凌者」，隨時會在三親嬰兒身上擴散，並且造成很大的影響。他說：「帶病的基因組可能密謀捲土重來，折磨後代。」他還補充說，如果它們攜帶了健康的、合適的DNA，能夠戰勝突變的基因，那麼這樣的超級複製者也有可能變成「超級英雄」。

自然選擇當然會偏好功能健全的基因，但歐法雷爾說，由父親提供的細胞核基因也可能影響線粒體的行為，我們目前還無法預測具體的影響方式。他舉例說，來自父親的基因可能會促進有缺陷的「欺凌者」線粒體基因更快複製，反之，它也可能幫助健康的「懦弱者」基因生生不息，繁榮昌盛。

米塔利普夫給出的解決方案是將母親和捐獻者的線粒體進行配型，因為線粒體各不相同。在某種意義上，全世界人們的線粒體不過是原始親本的十幾億份克隆樣本，由母親傳給子女，無窮無盡，生生不息。但即便是克隆品，線粒體也已經分化成具備不同特徵的世系，又叫單倍型（haplotype）。

歐法雷爾用血型進行了比喻。我們可不想把A型血輸進一個B型血的人的身體裡，同樣，不同世系的線粒體也不能混淆。他表示世系匹配的方式是個好辦法，並且建議再進一步。他說：「我認為，我們應該嘗試將捐獻者的基因組進行匹配，使得有缺陷的基因能被完全替換。」

他還補充說，理想的解決方案是尋找一個「超級英雄」基因組，它複製得最快，又能夠取代任何一個攜帶疾病的基因組。

為了找出哪些世系才是超級複製者，歐法雷爾希望與其他實驗室合作，測試不同單倍型的競爭力。例如，他的實驗室在去年早些時候發表了一項研究工作，證明在親緣關係較近的基因組之間，最優秀的基因組更容易贏得競爭；而在親緣關係較遠的基因組之間，競爭更有利於會造成缺陷甚至致死的超級複製者。他說，至少有十個主要的世系足夠獨特，許多線粒體可被歸於與這十種中的一種親緣接近。

米塔利普夫說，大多數時候，對單倍型進行匹配應該能夠保證成功。但他也指出，即使在這個前提下，線粒體中控制複製速度的基因組哪怕有微小的差異，也能造成意想不到的後果。他說，即使是來自同一個單倍型的線粒體，其基因也有可能發生變化，一個變化就足以引發衝突。

在他的研究中，米塔利普夫瞄準了一個可能決定複製速度的區域。他說，為了找到母親的線粒體單倍型，必須對其進行全基因組測序，並且還要檢查供體卵子中的這個區域，以確保它和母親基因組中的同一區域相匹配。今天，要對一名女性的線粒體基因進行測序，只需要花上幾百美元。

線粒體要配型，細胞核也得跟線粒體「配合」

未來的線粒體移植能克服這些風險嗎？（圖片來源： Juan Gartner/SPL）

但是，線粒體基因組之間的戰爭僅僅是故事的冰山一角。一些研究顯示，細胞核基因也可能發生演化，以更好地配合線粒體的單倍型。如果匹配關係突然發生改變，人體的健康就可能受到影響。在果蠅和橈足動物（一類小型海洋甲殼動物）身上進行的研究顯示，如果「線粒體-細胞核」關係太遠，有可能引發不育，或導致健康受損。但是在某些案例中，「線粒體-細胞核」親緣關係較遠的個體狀態卻優於平均水平，而且有可能更加健康。

在《新英格蘭醫學期刊》（NEJM）2016年11月刊中，劍橋大學的線粒體生物學家派屈克·欽納裡（Patrick Chinnery）撰文指出，在實驗室動物身上，僅僅改變0.2%的線粒體DNA，就「足以對細胞、器官甚至機體功能產生深遠的影響，這些影響會在之後的生命階段顯現出來」。米塔利普夫在研究中倒沒有觀察到胚胎發育受到任何影響，但他說：「細胞核基因和線粒體基因的某些特定組合之間可能會發生傳達障礙。」

由於這些未知風險，2016年2月時美國一個專家組表示，如果線粒體治療被批准實施，應當只移植男性胚胎，以避免經過人工修飾的線粒體種系一代代遺傳下去。多數科學家支持這個提議，但澳大利亞莫納什大學的達米安·道林（Damian Dowling）對此也持保留態度。他在果蠅身上進行的實驗顯示，雄性比雌性更容易受到來自線粒體移植的健康影響。由於女性的線粒體能夠遺傳下去，自然選擇會幫助女兒們篩選出可能有害的突變，使核內基因和線粒體基因保持良好的匹配。而男性就沒這麼幸運：如果突變不傷害女性，只傷害男性，那麼這些男性的生育能力可能會受到損害，並且死得更早。

這就是我們所知的「母親的詛咒」（mother’s curse）。這個術語由紐西蘭奧塔哥大學的遺傳學家尼爾·蓋梅爾（Neil Gemmell）提出，用來描述母親無意間傳給兒子的有害遺傳物質。

布朗大學的生物學家大衛·蘭德（David Rand）最近進行了線粒體基因組交換研究，沒有發現結果對男性不利。他認為替換線粒體的最終結果「非常不可預測」。生下來的孩子可能會受到疾病或者不育的困擾，也可能極其健康。我們無從得知。

正因如此，即使墨西哥三親生殖的案例引發了轟動，很多專家仍然呼籲小心謹慎——然而沒人理會他們的聲音。根據《自然》期刊新聞欄目的報導，中國已經誕生了一個三親嬰兒，烏克蘭可能很快也要迎來兩個。與此同時，張進博士仍在繼續鼓勵墨西哥的潛在患者接受治療，他表示：「我們受到了來自當地和海外的關注，我們歡迎大家進一步了解這種治療手段。」

有人呼籲對這項技術的操作方法進行規範，費城兒童醫院線粒體和表觀遺傳中心主任道格·華萊士（Doug Wallace）就是其中之一，不過他表示，他覺得目前沒有辦法給這個技術剎車。「我認為我們將看到越來越多的嘗試。有些家庭將極其幸運，但有些家庭也許會成為學習樣本裡不幸的那一部分」，華萊士補充說。

華萊士說，關於線粒體的研究需要迎頭趕上。他還補充說，儘管線粒體配型的想法不錯，但實際操作起來並不容易。他說：「一個主要的限制條件就是找到願意捐獻卵子的女性。」而且，你需要先對一個大的群體進行普查，以便了解她們攜帶了怎樣的線粒體DNA。

但是，對於迫切渴望懷孕的女性來說，這看起來仍然是可行的。華萊士補充說，線粒體移植手術也許不僅可以用來避免致命的基因突變，還可能應用到其他病人身上，比如生殖能力下降的年長女性。他說，「還沒有證據表明這種方式可行」，但如果它真的可行，那麼我們就找到了一種可以改變人的DNA的治療技術，也許數萬甚至數十萬嬰兒將通過這種方式降生。

華萊士補充說，這可能會對社會的未來造成長期的可見影響，而且我們仍然沒有完全理解這意味著什麼。

他說：「我覺得這是一個激動人心的可能，但也有點讓人不安。」（編輯：遊識猷）