守护生命起源的健康：如何破解人类生育力下降难题

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目前，全球平均不孕不育率大概在10% -15%左右，我国约为15%。中国不孕夫妇约为1200-1500万对，自然妊娠人群流产率高达10%。另外，我国婴儿出生缺陷率为5.6%，每年新增约90万例患儿。

　　与此同时，世界老龄化现象严重，我国也不例外，2015年，中国人口总和生育率约为1.6，远低于人口世代更替水平2.1，全面二胎政策的出台也没能明显地缓解这种情况。2018年65岁以上人口已达1.67亿。按此趋势，到2050年，中国老龄人口预计将占总人口数的35%，远高于世界平均22%的老龄人口比例。资料显示，从2015到2025年，预测育龄人口的规模将不断下降。

图片来源于网络

　　2019年11月21日，《国家积极应对人口老龄化中长期规划》正式对外发布。《规划》指出，到2022年，积极应对人口老龄化的制度框架初步建立，基本养老保险和基本医疗保险基本实现法定人员全覆盖。

　　到2035年，积极应对人口老龄化的制度安排更加科学有效，社会财富储备进入高收入国家行列，主要健康指标进入高收入国家行列，中国特色养老服务体系成熟定型，全体老年人享有基本养老服务，老年友好型社会总体建成。

　　到本世纪中叶，与社会主义现代化强国相适应的应对人口老龄化制度安排成熟完备。

　　辅助生殖技术发展及瓶颈

　　2019年4月15日，北京大学第三医院（以下简称为北医三院）的医生像往常一样忙碌：中国大陆首例试管婴儿郑萌珠即将临盆。伴随着一声脆亮的啼哭，体重3850克的男宝宝降生了，就像他妈妈当年一样，作为“试管婴儿二代宝宝”，他的诞生吸引了众人的目光。

中国试管婴儿之母张丽珠教授与郑萌珠来源于网络

　　时光倒回到31年前，1988年3月10日，郑萌珠在北医三院生殖医学中心出生。她的出生，开启了我国辅助生殖技术的新征程，而“试管婴儿二代宝宝”的出生，更是证实了我国辅助生殖技术的安全性。从2005年起，中国辅助生殖技术（Assisted Reproductive Technology，ART）总体服务量急速上升，远超同期美国CDC（Centers for Disease Control and Prevention）给出的ART周期数。

　　近三年来，北医三院每年的门诊量都在60万左右，很多夫妻因为生育问题来北京就诊。北医三院院长乔杰表示，这些患者大多数是中青年育龄人群，是家庭、社会的中坚力量。通过媒体传播，辅助生殖技术及其衍生技术越来越受到社会公众地广泛关注，不少人甚至将高龄生育的全部希望都寄托在冻卵上。

　　卵子在冷冻过程中还是不可避免的受到一些伤害，包括温度的变化、冷冻培养液的处理等，且解冻过程也可能破坏卵子的细胞结构。

　　辅助生殖生殖技术给予很多家庭孕育新生命的希望，但其本身也面临着困境——比如平均每个治疗周期成功率只有30%左右等（注：这里成功率的概念是有一个健康的婴儿出生）。目前，临床科研人员仍在不断探求提高辅助生殖成功率的方法，但无论如何，“高龄”仍是不可避免的、限制辅助生殖成功率的最大因素。所以，乔杰院士强调：“顺利生育健康婴儿的最好方式就是育龄期夫妻在25-28岁这段最好的生育时间科学备孕，尽量不要超过35岁。疾病有时候不可避免，但是人生规划是可以事先做好的，尽量工作生活两不误。”

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　　不断破解配子、胚胎发育过程难题

　　人类和其他物种同起源于单细胞生物。随着进化，人类与其他生物的遗传差别越来越大，逐渐表现出自身独特性状并将其维持。而这种独特特征的传递正有赖于生殖细胞。孕育新生命的过程中，种子（卵母细胞质量、精子质量）、土地（子宫内膜）和环境（身体局部和整体条件）是关键，而其中卵母细胞质量、精子的质量约占70%的因素。但目前我们对从配子发生，到受精以后形成新的个体及其再发育的整个过程仍知之甚少，所以不断探究、解析人类配子胚胎发育调控规律是我们了解自己、试图提高辅助生殖成功率的重要一环。

　　在高通量单细胞测序等技术的支持下，近年来，乔杰团队和北京大学谢晓亮教授及汤富酬教授合作团队，不断围绕生殖细胞发生、发育及成熟进行了系统性研究，揭示了人类早期胚胎发育，着床过程，胎儿生殖细胞发生、精子、卵泡成熟等多个关键发育阶段的基因组特征、DNA甲基化重编程及其对基因表达的调控关系，从而能使精子及卵细胞中每个基因、碱基都能追踪到亲本来源，这为遗传疾病诊断的连锁分析奠定了基础。

图片来源于网络

　　“临床上，着床失败是导致早期流产的重要因素之一。”乔杰院士表示，此前无法获得自然受孕后的早期着床后阶段的人类胚胎，多用啮齿类胚胎或猴子胚胎等模式生物替代研究，无法准确反映人类分子调控等规律的真实情况。

　　胚胎植入的第一步是胚胎在各种激素和生长因子及趋化因子的作用下，胚胎滋养外胚层同子宫内膜上皮细胞黏附继而向内膜侵入。而后，植入后滋养层细胞进一步侵入和分化以维持妊娠防止流产。说来简单，但这一过程却是一个“黑匣子”。

　　2019年8月21日，乔杰教授课题组和汤富酬教授课题组合作，在《自然》杂志在线发表了名为《利用单细胞转录组和DNA甲基化组图谱重构人类胚胎着床过程》的论文，成功破解了这一“黑匣子”。他们应用体外模拟人类胚胎着床培养体系，经过与高精度单细胞多组学测序技术相结合，首次阐述了人类胚胎着床过程基因表达调控网络和DNA甲基化动态变化规律，解析了围着床期胚胎发育的分子调控机制。

胚胎着床，来源于网络

　　随着受精卵的分裂，胚胎细胞逐渐出现了命运的分化，形成具有三种细胞类型的囊胚，其中以上胚层细胞为主的胚层前体细胞快速增殖、迁移，形成内中外三个胚层，胚层前体细胞命运决定是胚胎发育的关键，如果胚层诱导和分化发生异常，将会导致不良妊娠及胎儿畸形的发生。这个过程中一些表观遗传的改变，其对成人疾病的影响，是要特别关注的。很多成人相关的疾病都是和滋养外胚层、内细胞团这二者有关，然而能研究人类的胚胎很有限，所以在不同模式动物上的研究非常重要。

　　哺乳动物早期发育过程中，细胞的迁移、增殖和分化对胚层细胞的形成及胚胎模式的建立至关重要。以小鼠为例，受精后第6.5天胚胎的细胞数目约660个细胞，到7.5天就多达1.6万个细胞，细胞数量增加27倍，这个过程到底发生什么了？伴随着细胞的快速增殖，研究者利用标记中胚层细胞的特异标记物，追踪了中胚层细胞从原条部位迁移至胚胎前端及胚外的运动轨迹。而胚层细胞命运区域化何时建立，又是如何受到遗传、表观遗传的调控，是发育研究的重大基础问题，相关研究一直在进行。

　　近年通过单细胞测序等手段，科学家已初步解析了斑马鱼、非洲爪蛙等模式动物原肠期不同胚层细胞谱系的变化特征，小鼠中的研究也表明胚层细胞谱系区域化这一特征可以追溯到卵裂期，这一调控网络的顶端控制因素尚不明确；此外，该过程的关键决定因素是否可以追溯到卵裂期之前也是尚未解决的重要科学问题。目前，科学家已经建立了有效的实验方法和技术路线，可以实现在受精卵形成时，规模化地挖掘该过程的候选调控因子，鉴定其在胚层细胞命运区域化中的决定性作用，并探索其作用机制，进而为回答这一重要科学问题提供线索。

　　胎儿原始生殖细胞发育过程的研究也是十分困难的。2017年，利用单细胞RNA测序技术，科学家分析了超过2，000个胎儿生殖细胞及生殖脊周围体细胞，包括男性和女性胚胎并且涵盖了多个发育时期。此项研究发现女性胎儿生殖细胞经历4个时期：有丝分裂、视黄酸信号传导、减数分裂前期与卵子发生；而男性胎儿生殖细胞则经历3个时期：迁移、有丝分裂与细胞周期阻滞。该项研究描绘的体内正常生理情况下人类胚胎生殖细胞的发育历程将为生殖细胞相关疾病（如不孕不育和畸胎瘤等）的诊断和治疗提供路标。

　　经过一系列研究画出的图谱显示，精卵DNA甲基化在着床前和胎儿原始生殖细胞阶段发生两次大规模重编程——生命周期中两次大规模甲基化重编程。这一过程中，印记基因甲基化在胚胎发育中维持，原始生殖细胞擦除，精、卵成熟过程分别重新建立父源、母源印记，发现新的等位基因差异甲基化区域，潜在新的印记基因；重复序列元件保留大量甲基化，以保持基因组稳定；父源母源DNA甲基化对胚胎发育贡献可能不同。

　　近来，中科院动物研究所、昆明动物所、昆明理工大学团队在《科学》杂志背靠背发表了颇具突破性的研究成果。体外培养食蟹猴/猕猴胚胎超过14天，培养到了20天，由此成功模拟了胚胎着床和原肠运动过程。原肠运动是囊胚着床后的一个里程碑事件，英国著名发育生物学家Lewis Wolpert曾说：“人生最重要的阶段不是出生和结婚，甚至不是死亡，而是原肠运动。”原肠运动在进化上非常保守，其机制受到精细而严谨的调控，是最为引人入胜的发育生物学过程。原肠运动的正常、有序发生是三个胚层形成的基础，为后续各脏器正常分化提供保障。但由于原肠运动发生在囊胚植入母体子宫后，受到研究材料、实验技术和动物伦理等因素的限制，目前人们对原肠运动的认识依然十分有限。在哺乳类动物中，仅小鼠的原肠运动过程相对研究较多，而啮齿类和灵长类动物在胚胎早期的发育过程存在很多差异，两者不能完全进行类比。

　　体外培养食蟹猴/猕猴胚胎的培养系统、形态学鉴定、以及单细胞组学测序等分析，证实了体外和体内发育胚胎在形态学与基因表达特征上高度相似，且均能在体外重现体内胚胎的多个重要生物学事件。这项工作对探索灵长类早期胚胎发育，特别是胚胎早期植入阶段和原肠运动阶段，开辟了一个崭新的研究平台。结合细胞示踪技术和单细胞测序技术，该体系将推动灵长类早期胚胎发育和疾病的研究，推动胚胎干细胞定向分化，以及再生医学等相关领域的发展。

　　2018年11月23日，清华大学孟安明院士研究组与陶庆华教授研究组在《科学》杂志合作发表了题为《母源因子Huluwa通过β-catenin决定脊椎动物胚胎体轴》的论文，引发广泛关注。该研究鉴定了一个全新的膜蛋白，命名为“葫芦娃”（Huluwa，Hwa），Hwa是一个母源因子，在斑马鱼和非洲爪蛙的受精卵中就获得了区域化的定位，这一特征导致Huluwa仅在胚胎一侧诱导Spemann组织者生成，系统的遗传学、胚胎学、细胞生物学实验证明了是Hwa就是自Spemann发现组织者以来，人们苦苦寻找的母源背方决定因子。

图片来源于清华大学新闻网

　　在机制研究过程中，科研工作者对临床新技术的探索也在不断进行。乔杰认为，不成熟卵的获取、体外成熟技术，不让卵细胞脆弱的纺锤体受损害的新技术、冷冻保护剂的研发等等，这些需要各领域科学家的共同努力。

　　如何避免出生缺陷

　　目前，全球出生缺陷形势严峻，即使在发达国家，出生缺陷发生率也有2%–3%，2012年《中国出生缺陷防治报告》中提到，我国每年新增出生缺陷约90万例，出生缺陷已成婴儿死亡和儿童残疾的主要原因。

　　为什么会出现出生缺陷？乔杰表示，这可由染色体畸变、基因突变等遗传因素引起，也可由孕前及孕期感染、放射线、致畸药品、孕妇糖尿病等环境暴露因素引起，也可由这两种因素交互作用或其他不明原因所致。

　　我国现已形成出生缺陷三级预防体系。三级预防是指出生以后再去治疗，治疗效果有限且成本高；二级预防是中期引产，但这对母亲来说非常痛苦；一级预防包括婚前及孕前咨询、产前检查，特别对于有遗传病或者已经生育了出生缺陷患儿的家庭来说，胚胎植入前遗传学诊断是从源头预防的最好方法。目前，乔杰教授、谢晓亮教授及汤富酬教授团队创建的胚胎植入前遗传学诊断新方法MARSALA，一次测序完成则能“单基因检测、染色体鉴定及连锁分析”三重诊断。目前已经对近600余对夫妇，包括近 200种单基因疾病进行了诊断，希望更多新技术的研发能够让更多的家庭能够受惠。