The germ-cell lineage ensures the continuity of life through the generation of male and female gametes, which unite to form a totipotent zygote.Wehave previously demonstrated that, by using cytokines, embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells can be induced into epiblast-like cells (EpiLCs) and then into primordial germcell (PGC)-like cells with the capacity for both spermatogenesis and oogenesis1,2, creating an opportunity for understanding and regulatingmammalian germ-cell development in both sexesin vitro. Here we show that, without cytokines, simultaneous overexpression of three transcription factors, Blimp1 (also known as Prdm1), Prdm14 and Tfap2c (also known as AP2c), directs EpiLCs, but not embryonic stem cells, swiftly and efficiently into a PGC state. Notably, Prdm14 alone, but not Blimp1 or Tfap2c, suffices for the inductionof the PGC state inEpiLCs.The transcription-factor-induced PGC state, irrespective of the transcription factors used, econstitutes key transcriptome and epigenetic reprogramming in PGCs, but bypasses a mesodermal program that accompanies PGC or PGC-like-cell specification by cytokines including bone morphogenetic protein 4. Notably, the transcription-factor-induced PGC-like cells contribute to spermatogenesis and fertile offspring. Our findings provide a new insight into the transcriptional logic for PGC specification, and create a foundation for the transcription-factorbased reconstitution and regulation of mammalian gametogenesis. The inductionkinetics by the TFs of endogenous Blimp1, Prdm14 and Tfap2c in whole EpiLC aggregates showed that (1) BLIMP1 andPRDM14activate Blimp1 gradually and Tfap2c rapidly, whereas TFAP2C does not activate Blimp1 nor Tfap2c, but enhances the activity of BLIMP1 to induce Tfap2c and Blimp1; (2) activation of Prdm14 by the TFs occurs relatively late (after 24 h); and (3) BP14A has the strongest effect on the activation of Blimp1, Tfap2c and subsequently Prdm14. Notably, ten weeks after transplantation, the testes transplanted with the TF-PGCLCs, particularly those sorted at days 3 and 4, irrespective of the TFs used, contained numerous tubules with signs of spermatogenesis. These tubules showed normal spermatogenesis and contained spermatozoa with proper morphology. By contrast, SC ES cells induced by BP14A did not contribute to spermatogenesis, but formed foci of teratomas in six out of eight transplanted testes.
生殖细胞也喝“孟婆汤”吗？——介绍一些“外遗传学” 按照佛教的轮回说，生命是不灭的。这一世的结束不过是下一世的开始。但是下一世的人无法拥有上一世的记忆。在投胎转世之前，人人都必须走过“奈何桥”。在那里，喝了“孟婆汤”以后，这一世的记忆就全部消失了，这样下一世才得以从零开始。 虽然现在相信投胎说的人已经不多了，但是这个故事里面的基本思想还是正确的，即人精神活动的产物，包括知识、经验，对其他的人和事情的态度，感情，都不能传给下一代。数学家的孩子不会生下来就懂数学；钢琴家的孩子也不会生下来就会弹钢琴。你认识和爱戴的人，你的孩子不一定认识和爱戴；你的理念和对事物的好恶，下一代也不一定继承。 除了精神活动的产物，我们这一代的生活对身体的许多影响，也不会传给下一代。因外伤失去一只眼睛的人，后代不会生下来就少一只眼睛。某处皮肤烧伤的人，孩子在那个地方的皮肤也不会有疤痕。 由此看来，我们在通过生殖细胞（精子和卵子）繁殖下一代时，这一生的记忆，不管是精神的还是身体的，都要被消除掉。这相当于生殖细胞喝了“孟婆汤”。那身体里面的“孟婆汤”在哪里呢？ 对于精神活动来说，“孟婆汤”就是细胞隔离。就如我在《中国科技博览》中“知识采蜜”专栏里的一篇文章，《为什么知识和技能不能遗传？》里面说的，人的知识，经验，思想和技能，是后天形成的，是“这一世”的精神积累。它们被存储在大脑中神经细胞之间的联系和回路中。而大脑离生殖器官很“远”（从细胞的“眼光”来“看”），储存在大脑中的信息无法被传输到生殖细胞里面去。而且储存在神经细胞联系和回路中的信息，也不能通过“格式转换”而被“输入”到生殖细胞里面 DNA 的序列（四种核苷酸的排列顺序）中去，自然也就传不到下一代去。 精神活动的产物无法遗传的事实，我们在上面已经解释了。那这一代身体的许多信息为什么也不能传给下一代呢？ 按照传统的遗传学理论，生殖细胞只能把储存于 DNA 序列中的信息（建造身体的“蓝图”或“密码”）传下去。而 DNA 是很稳定的分子，细胞里也有一整套修复受损的 DNA 的机制。在高等生物中， DNA 被复制时的精确度也很高。由于这些原因， DNA 序列的变化，特别是那些影响基因的序列变化，发生的速度很慢，不是在一，两代中就可以完成的。这一代失去一只眼或一条腿，伤害的只是这一代的身体，并不能改变生殖细胞中 DNA 的序列。所以下一代得到的，仍然是建造“完整”身体的蓝图，据此发育出新一代的肌体。所以生殖细胞中 DNA 的序列在很大程度上也是“与世隔绝”的，不受这一代身体和精神活动的影响。它们在生成过程中，其效果就相当于喝了“孟婆汤”。 不过这只是隔离（大脑与生殖系统的隔离，以及生殖细胞内 DNA 的序列与生命活动的隔离）所造成的后果，还不是生殖细胞主动地“消除印迹”，所以还不是真正的“孟婆汤”。除了隔离以外，生殖细胞里面还有真正的“孟婆汤”，可以把这一生的印迹去掉。这个我们下面再讲。 看到这里，也许有些人就已经感到“庆幸”了：这一辈子不管如何“胡过”（不健康的生活习惯，包括抽烟、喝酒、暴食、熬夜等），最多是自己的身体受到影响，而不容易影响孩子。然而，许多新的研究结果却表明，父母的生活经历是可以经由 DNA 序列以外的方式传给他们的后代的。 2001 年，瑞典科学家拜格林（ Lars Olov Bygren ）发表了他对瑞典北部一个地广人稀的叫做诺伯顿（ Norrbotton ）地方的人的寿命进行研究所得的结果。 诺伯顿位于北极圈以内，粮食收成极不稳定。如果年景歉收，人们就会挨饿；但如果获得大丰收，他们又会大吃大喝。 拜格林的研究表明，如果爷爷辈在 9 到 12 岁时有大吃大喝的经历，那他们的孙子的寿命就比较短，得糖尿病的几率会增加。而在青春期前挨饿的男性，其孙子就较少得心血管病。同样，在青春期前曾大吃大喝的祖母，她们的孙女的寿命也会明显缩短。这说明爷爷奶奶辈的生活状态对身体的影响可以遗传给它们的孙子，而且爷爷奶奶辈在进入青春期之前的那段时间对于这种能遗传的印迹最为重要。 随后，拜格林又和伦敦大学的著名遗传学家裴瑞（ Marcus Pembrey ）合作进行研究。他们发现，如果父亲在 11 岁之前（即进入青春期之前）就开始吸烟，那他们的儿子在 9 岁时就会超重。这些事实说明，在父亲产生精子之前，他的生活经历就会在他的遗传物质上打下印迹。这些印迹可以经由生殖过程传给它们的儿子，甚至孙子。 科学家们在动物身上也发现了类似的现象。比如让果蝇接触一种叫做盖达纳霉素（ geldanamycin ）的药物，它们的眼睛上就会长出赘疣。即使它们的后代不再接触盖达纳霉素，这些后代还会继续在眼睛上长赘疣。这种现象甚至可以传到第十三代。 如果喂线虫（一种只有 1 毫米 长的低等动物）某种细菌，线虫就会变得又小又圆。这种现象可以持续四十代，即使它们的后代不再接触到这种细菌。 用小鼠做的实验表明，即使像记忆能力（注意，不是记忆的信息）这样与精神活动有关的特性也可以通过上一代的生活经历传给下一代。比如给有遗传性记忆缺陷的小鼠玩具，让它们做练习，用各种方法引起它们的注意，结果它们的后代在记忆能力上也有明显的改进，即使它们的后代没有得到这些练习。 所有这些证据都表明，即使我们传给后代的 DNA 序列没有改变，这一代生活所造成的身体的变化也会通过某种途径传给下一代。这是达尔文的进化学说无法解释的，因为一两代人的时间对进化来说太短了，这些影响不可能通过 DNA 序列的变动来实现。那上面说的事实又该如何解释呢？ 原来人类（以及其它“真核生物”，即组成身体的细胞具有细胞核的生物）的 DNA 分子并不是“裸露”的，而是和一些蛋白质结合在一起。带负电的 DNA 分子“缠绕”在带正电的蛋白质（比如“组蛋白”）分子上，使原来“细长”的 DNA 分子卷成紧密的结构。这有点像一本书，它记载着建造我们身体的“遗传密码”。如果把 DNA 里面的信息比喻为书里的字句，那蛋白质就是书页。字句是印在书页上的，而且书页紧密地排列起来，成为一本书。所以当你拿起一本书时，里面的信息是看不见的，除非你把书页打开。 我们身体是由 200 多种类型的细胞组成的。虽然细胞的种类各式各样，但是它们里面所包含的遗传信息（ DNA 序列）是完全一样的。之所以细胞会彼此不同（比如神经细胞和肌肉细胞），是因为它们打开的“书页”不同。你打开这一些书页，读取这些书页里的信息；我打开另外一些书页，读取另一些信息。这样对遗传信息的“选择性使用”，就形成了各式各样的细胞。那细胞如何有选择性地打开一些“书页”，又选择性地不打开另一些“书页”呢？这就和“书页”自己的性质有关。 在细胞里，打开“书页”的一个重要“开关”，就是组蛋白的“乙酰化”。从化学上讲，就是在组蛋白上面的一些带正电的基团（“氨基” -NH 2 ）上面带一顶“帽子”，用“乙酰基”把“氨基”上面的正电荷“屏蔽”掉。组蛋白的正电荷一减少，通过带负电的分子（包括 DNA ）绕成紧密结构的力量就弱了，这一部分的 DNA 就会“松开”，相当于“书页”被打开，里面的信息即可以被读取了。 除了组蛋白， DNA 里面的每个基因也带有自己的“开关”。就是“书页”被打开了，这些“开关”也能决定基因里面的信息是不是能被读取。这些“开关”本身也是 DNA 序列，叫做“启动子”（ promoter ）。它们和一些叫做“转录因子”的蛋白质相互作用，共同决定基因是“开”还是“关”。如果在“开关”里面的胞嘧啶（用字母 C 表示）上也戴个“帽子”，“转录因子”就“不认识”这个“开关”了，也就是不能和“开关”里面的 DNA 序列结合。这个 DNA 上面的“帽子”，就是由一个碳原子和三个氢原子组成的，叫做“甲基”的基团（ -CH 3 ）。给 DNA 戴上“甲基”“帽子”的活动叫做 DNA 的“甲基化”。这相当于给 DNA 戴上“隐身帽”，使基因里面的信息无法被读取。 所以 DNA 里面的信息能不能被读取，除了打开基因的开关（启动子）和直接读取信息的 RNA 聚合酶（把 DNA 里面的信息“转录”到“信使 RNA ”上去）外，还和 DNA 的“甲基化”状况与组蛋白的“乙酰化”状况有关。这些“修饰”并不改变 DNA 分子中核苷酸的顺序，但是却能影响基因中信息的读取。 而人一生的生活经验，无论是精神的还是身体的，都能改变组蛋白“乙酰化”和 DNA “甲基化”的情形，影响我们的精神生活和身体状况。这些不通过 DNA 序列改变而影响身体性状，有时并且能传给后代的变化就叫做“外遗传”修饰，即发生在 DNA 序列外的变化。在英文中，“外遗传学”叫做“ epigenetics ”。其中“ genetics ”是“遗传学”，而前缀“ epi- ”则表示“在 … 之上”，“在 … 之外”的意思。在国内，“ epigenetics ”也被译成为“表观遗传学”，表达的是同样的意思。 这些“外遗传”修饰对身体的影响很大。比如同卵双胞胎的 DNA 序列是完全一样的，按说他们得病的类型和几率也应该是一样的。但是医生却发现，有时一个人会得病（如白血病和红斑狼疮），另一个人却不得。随后的研究表明，是他们的 DNA 的“甲基化”的情形不同。 DNA “甲基化”的异常也和其它类型癌症的发生有关。比如一个负责 DNA 修复的基因叫做 MLH1 ，它的异常“甲基化”就和结肠癌的发生有关。具有同样遗传物质的小鼠，毛色却常常不同。研究发现这是因为一个叫 agouti 的基因的“甲基化”程度不同。 “外遗传因素”也影响植物的性状。比如一种叫做“柳穿鱼”的植物（ Linaria vulgaris ），它的花就有两种形式。一种是两侧对称的，另一种却是中心对称的。这两种花细胞里面的 DNA 序列完全相同，不同的是一个叫 Lcyc 的基因的“甲基化”情形。 所以“外遗传”因素的作用，就是影响 DNA 里面的信息如何被读取。这和 DNA 中储存的信息同样重要。这就像读一本建造身体的“使用说明书”，里面的内容都是一样的。但是外遗传修饰能决定你是不是能打开应该“读”的那些书页，或者能不能避免本不该打开的书页被翻开。 如果 DNA 序列以外的修饰能够通过生殖细胞传给下一代，那就有了一种与 DNA 遗传不同的遗传方式，它可以把这一代身体的状况传给下一代。但是在实际上，我们的身体是极力避免这种情况发生的，并且在生殖的两个阶段“消除”这些“外遗传”的修饰。 在身体形成精子和卵子的时候， DNA 上面的“甲基化”和组蛋白上面的“乙酰化”都是要被消除，重新设定的，以适应生殖细胞的功能。同样，受精卵在发育成胎儿时，里面 DNA 的“甲基化”和组蛋白的“乙酰化”也要重新设定，以适应胎儿发育的需要。这种消除细胞原来的“外遗传”修饰的机制，才是生殖细胞中真正的“孟婆汤”。而且和人过“奈何桥”时只喝一次“孟婆汤”不同，在生殖细胞的形成阶段和受精卵阶段都要喝“孟婆汤”，也就是要喝这种“汤”两次。看来生物为了下一代“重新开始”，真的是设了重重关卡，要把这一生的所有印迹都“抹掉”。 在过去，这个“抹去”印迹的过程被认为是非常彻底的，也就是觉得细胞里面的“孟婆汤”非常有效。比如在精子形成的过程中，不仅要先消除 DNA 原先的“甲基化”，而且还用另一种碱性蛋白质——精蛋白，来替换组蛋白。这相当于把书里面印字句的书页纸都换成了新纸，那原来在书页上做的“记号”（乙酰化）也同时被消除了。但是在本文中所列举的上一代的生活经历和身体状况对后代的影响却表明，细胞里面的“孟婆汤”在消除这一生的记忆上并非 100% 有效。有一些信息能够成为“漏网之鱼”，“逃”到下一代的细胞里面去，影响基因的功能。这种“逃”出“孟婆汤”作用的机制现在还不完全清楚，但是也有了一些初步的结果。比如为精子活动所需要的基因，它们所结合的蛋白就仍然是组蛋白，而没有完全被精蛋白取代。 “外遗传”机制可以使动物打破 DNA 序列变化缓慢的限制，使得后代能迅速获得上一代生物对环境因素做出反应而发生的变化，这对生物种群的生存和繁衍也许是有利的。但是通过“外遗传”因子传递下去的效果并不总是有利的，上一代不良的环境和生活习惯对后代健康的不利影响就是明显的例子。 当然，外遗传并不是进化。在外因消失以后，这些外遗传现象也会逐渐淡化消失， DNA 又回到原先的调控状态。但它在以后数代或数十代中造成的影响仍是不能被忽视的，有可能对我们的后代的健康状况造成不良的后果。另一方面，“外遗传”状况的改变又是可逆的。不良的生活习惯（比如吸烟和吸毒）虽然会改变有关基因的“外遗传”状态，但是一旦这些不良习惯被消除，这些“外遗传”的改变又会逐渐减弱以致消失。所以我们无论是为了自己的健康还是后代的健康，都应该改变不良生活习惯。 对于外遗传学的研究目前还处于初期阶段，其中的许多机制还不很清楚。而且“外遗传”的机制也不限于组蛋白的“乙酰化”和 DNA 的“甲基化”，还包括小分子核糖核酸（ RNA ）的作用等等。但是近年来的研究已经开始改变人们对于遗传的思想和观念。了解一些外遗传学方面的知识，对我们自己和我们后代的健康，都是很有帮助的。
单细胞生物靠不对称分裂，产生一个具有新生命活力的细胞和较衰老的细胞；果蝇生成卵子时，由一个生殖干细胞分裂生成一个新的生殖干细胞和一个成包囊细胞，成包囊细胞分裂形成生殖细胞。而总是保留着生殖干细胞。许多动物生成精子的过程中也都有这种方法一直保留着干细胞性质的能够不断产生出新的生殖细胞的原始细胞。 高等动物的受精卵分裂后总是把一些特殊物质分配到某些细胞中，使其成为后来的生殖细胞。体细胞（动物体）总是会衰老的。但是，一代一代新的生殖细胞总是保持旺盛的生命活力。这是物种永世延续所采取的最基本的方法。我们能否从中找到某种（些）可使我们的体细胞（较长时间地）保持旺盛生命活力的线索呢？ 下边这篇文章又介绍了类似的不对称分裂现象在陆生植物和藻类中的存在。由此看来，不对称分裂可能在整个生物界都存在，并且起着大致相同的作用。 Nature Reviews Molecular Cell Biology 12 , 177-188 (March 2011) Asymmetric cell division in land plants and algae: the driving force for differentiation Ive De Smet Tom Beeckman Abstract Asymmetric cell division generates two cells with different fates and has an important role in plant development. It produces distinct cell types and new organs, and maintains stem cell niches. To handle the constraints of having immobile cells, plants possess numerous unique features to obtain asymmetry, such as specific regulators of intrinsic polarity. Although several components have not yet been identified, new findings, together with knowledge from different developmental systems, now allow us to take an important step towards a mechanistic overview of asymmetric cell division in plants and algae. Strikingly, several key regulators are used for different developmental processes, and common mechanisms can be recognized.
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