3 造就差异

真诚的差异性标志着健康的发展。

——莫罕达斯·卡拉姆昌德·甘地（Mohandas Karamchand Gandhi）

在第2章描述的发育过程中，早期卵裂所达成的成就，可以说是对单一过程的简单重复。细胞数量呈指数级生长，但新生的每个细胞都一模一样。事实上，细胞在最初的几次分裂中根本不会使用自己的基因，取而代之的是利用卵细胞从母体那里继承来的分子储备，受精卵分裂出的细胞会均分这些储备。1在发育早期心无旁骛地进行细胞分裂是有意义的：等时机到来，细胞越多，制造身体就越容易。但这个过程不能持续太久，因为简单的卵裂会导致每一代的体积只有它上一代的一半，很快，细胞就会小到不能再小，而此时，细胞的每次分裂之间急需细胞生长的参与。细胞生长需要营养，也意味着细胞必须找到把营养纳为己用的方法。因此，必须有一部分专门为其他细胞提供食物的细胞。许多动物胚胎从卵的卵黄部分获取营养。哺乳动物的胚胎则直接从母体获取资源，但这些区别都不会改变以下事实：在某个时刻，卵裂必须终止，细胞必须开始分化。

细胞分化意味着，一开始那些毫无二致的一群细胞不再毫无差异：一些细胞专门做这个，另一些做那个。这将让胚胎面对一个根本问题：分化出不同的细胞需要建立新的秩序和传播新的信息。增加的信息量可以体现在我们对胚胎的描述上：与描述对称的物体相比，我们需要更多的词汇或者数学符号才能描述非对称的系统。比如描述一个带把手的杯子，就比描述不带把手的杯子更复杂。在昆虫等“低等”动物中，母体会提供细胞分化所必需的信息。她会把自己携带的空间信息复制到卵细胞中，以特定分子的浓度梯度为载体，所以每个细胞都在分裂过程中继承了不同数量的分子。分子浓度差异能控制细胞发育的方向。这种不利用基因就把关键信息传递给下一代的方式十分高效。研究人员也曾在哺乳动物身上寻找像这样传递信息的证据，但迄今为止一无所获。人类也不用这种方式，一个原因是人类的卵细胞似乎处处相同。2因此，创造差异性（也意味着新信息的产生）就把一个严肃的逻辑问题摆在了人类胚胎面前：如何在没有模式的地方创造模式？胚胎解决这个问题的方案堪称优雅：从几何规律中获得信息。

当胚胎中的细胞很少的时候，每个都能占据较大比例的体积，每个细胞都有部分暴露在外。卵裂成32或64个细胞后，细胞就变得很小，其中一些细胞完全处于内部，被别的细胞包围。另一些细胞则有大约1/6的细胞膜对着外部空间。细胞能“察觉”自己是完全被其他细胞包围了，还是有一部分对外浸润在液体中，它们会依据这些信息来决定下一步走向。那些有一部分暴露在外的细胞会激活之前未激活的一些基因，成为胚胎中最早分化的组织：滋养外胚层（trophectoderm）。另一方面，那些没有自由表面的细胞的这些基因仍然保持关闭状态。把简单的物理信息（自由表面）解读为发育信息的能力，使得胚胎不需要事先准备好任何空间计划。细胞也不需要知道自己在胚胎内的精确位置：它们唯一需要探测的是，自己是否具有自由表面。

滋养外胚层唯一需要操心的是，构建出给胚胎其他部分提供营养的结构，而它们永远不会成为婴儿的一部分。3滋养外胚层最先就是把液体泵入胚胎。这些液体不断增加，直到形成一个巨大的、多水的腔体（请见图6）。由于这个腔体的存在，内部的细胞成了偏离中心的细胞团，这个内细胞团贴在外胚层的一个内表面上。仅从外面判断，它们似乎全然不像那些活跃着的，忙着抽泵、侵袭、觅食的外胚层细胞有吸引力。但内细胞团才是将来形成婴儿的那个部分。内细胞团有时候并不是保持一个实体，而是分成两个细胞团，每个都会形成一个单独的生命。就像第2章中提到的双胞胎，这些双胞胎的基因完全相同，但此时他们共享的是同一个滋养外胚层，然而以后它们都会形成自己的卵黄囊和羊膜腔（后文会详述），因此可以相安无事。这是同卵双胞胎最常见的形成方式，大约占比2/3（第三种形成方式非常罕见，后文会提及）。

当外部的细胞运输液体、使得整个结构不断膨胀，胚胎应该已经离开输卵管（也就是受精的地方）进入子宫。子宫大多数时候呈“收缩态”，子宫壁皱缩在一起，就像堆在一旁无人使用的橡胶手套。子宫在排卵后的那个星期皱缩得最厉害，因此，刚刚进入子宫的年轻胚胎可以很容易地接触到子宫内壁；然后，胚胎会利用一系列特殊的黏附分子把自己贴在子宫壁上。细胞固着完毕后就会生产新的蛋白质，这些蛋白质会帮助胚胎挤入子宫壁的细胞之间。4几小时后，排列整齐的胚胎细胞会如同行军中的部队一样推挤子宫壁，把“魔爪”伸入母体的组织：胎盘由此产生。在这个过程中，子宫的许多细胞被杀死，它们的残骸被饥渴的胚胎当成营养物质吸收。母亲对这种袭击的反应导致自身更多的细胞死亡；受精十天后，这些破坏形成了一个很大的溃疡样空腔，使得胚胎可以整个躺在其中。在人类和其他动物体内，子宫内膜会重新生长，填补这些被破坏的地方。

人类胚胎的生长模式本质上是一种寄生，但对这个说法，我们无须过于紧张。我们可以把胚胎视为一种寄生物，但是容忍这个寄生物是母体完成繁殖的唯一方式，这对物种生存而言不可或缺。实际上，母体不仅容忍了后代的寄生，甚至鼓励这种寄生：如果母体和胎儿发出分子信号进行交流的通路被打断，胚胎就不能着床，怀孕就会失败。5

受精后的胚胎在母体的生殖系统内移动，从输卵管离开；有时候胚胎转移得特别缓慢，以至于在胚胎本应开始着床的时候还没有到达子宫。导致胚胎移动迟缓的一个常见因素是衣原体感染，6这在现在的女性中并不少见。①无论身处何处，发育到特定阶段的胚胎仍会一边生长，一边总在尝试着床。如果它还在输卵管中，就会在输卵管安家，进而导致异位妊娠（宫外孕）。输卵管并没有供养胚胎生长的能力：从物理性质看，它个头不够大，也不能像子宫那样延展；从生理上看，它也没有提供营养和血液的能力。在这种情况下，妊娠常常会自主终结，这是导致流产的一种常见原因。也有很多时候，人们需要进行人工流产，从而保护母亲的生命。

在胚胎启动自我分化程序、把自己打造成一个婴儿之前，内细胞团的所有细胞都有形成身体中任何细胞的潜力（至少在小鼠身上是这样的。因为伦理问题，我们不能在人类身上做这类实验）。当研究人员需要描述那些细胞可以形成的细胞范围时，他们常用一种类似于分杈树的图解来表示这些范围和它们出现的时间。图7就是一个小小的例子。从这种图解中可以看到，所有可能的辐射分化，最终都来源于这棵分杈树基部（stem）的一种细胞。所以这类细胞又被称为“干细胞”（stem cell）。这个词从德语词Stammzelle转化而来，1906年由俄国组织学家亚历山大·马克西莫夫（Alexander Maximow）创造，用来表述处于各种血液细胞“树”基部的细胞。根据研究人员的关注点不同，“干细胞”可以指仅能形成身体中某几类细胞的细胞，也可能是形成一大片很多类型细胞的细胞。

近来，人们在“干细胞”一词的使用上加上了一些新的限制，很多论文作者坚持：只有那些不仅能分化成树状图上部枝干上的细胞，还能维持自身数量的细胞才能被称为“干细胞”（马克西莫夫最初使用这个词时，并没有特别指定这一点7）。幸运的是，这种定义上的微妙更改并不会影响我们把这个词用在内细胞团上。这些细胞团位于图7分杈树差不多最底部的右侧，它们不断地更新着自己的数量，即使从胚胎中取出放到培养瓶中，它们也会继续更新。它们可以形成身体上几乎所有的组织。因此有时候人们也称它们为胚胎干细胞（embryonic stems cells），或者简称为“ES细胞”，特指那些从胚胎中取出、在人工培养下生长的细胞。8

过去十几年间，ES细胞对生物医学的研究产生了重要的影响。科学家采用的常规实验路径就是设计和改造小鼠胚胎干细胞的基因，然后把改造后的细胞注入正常小鼠胚胎的内细胞团中。由此，他们便会得到一些带有混合细胞的小鼠：一部分细胞来自没被改造过的内细胞团，另一些来自用基因工程改造过的ES细胞。在多数情况下，这些细胞都混合得非常成功，因此雄性小鼠产生的部分精子就会带有改造过的基因。这种小鼠通过正常交配产生的一部分后代，其全身的细胞就会带有这些被改造过的基因。这种技术使得科学家可以改造出带有人类疾病的动物“副本”，这样就可以在小鼠身上开展研究，从而更好地理解疾病，寻找更有效的治疗方法。9目前，全世界有成千上万只这样的小鼠，本书提及的很多结论都取自相关实验，比如让特定的基因发生突变，或者敲除某个基因，再观察这些改造对小鼠的妊娠和胚胎发育会造成怎样的影响。

人类也有ES细胞。10我们希望能找到控制这些胚胎干细胞发育并分化出各种细胞类型的途径，从而可以利用它们修复业已损坏的人体组织，或是制造出可以用于移植的新组织。虽然这么有用，但并不是每个人都欢迎这种细胞，因为想要建立ES细胞系，只能通过破坏早期的人类胚胎才能获得。在一些人的认识中，发育早期的人类胚胎具有变成一个人的潜能，所以觉得应该把它们视为一个人。持有这样观点的人认为，破坏人类胚胎等于谋杀，是不可接受的，无论后面会产生怎样好的结果，都不会改变这一事实。还有些人则认为，胚胎还远不具有人的特质，它们不能思考，也不懂感受，不应当受到特殊的保护。还有一些人的想法可能介于这二者之间：如果符合某种伦理准则，他们就可以接受把胚胎用于科研。最近的一项研究发展也许能帮助人们从这种伦理两难中找到一条出路。来自日本的科研团队研发出了把小鼠的普通体细胞转变成ES样细胞的方法，他们把这种细胞称为诱导多能干细胞（简称“iPS细胞”）。11为了证明这些细胞与ES细胞的相似性，他们用这类细胞取代普通内细胞团的胚胎，成功孕育出了小鼠。这项技术并不难实现，目前已经广泛应用于世界各地的实验室。很多科研人员还把这项技术延伸到了成年人类细胞，制造出了类似于人体iPS的细胞（这里用“类似于”是因为，出于伦理考虑，我们不能进行终极实验，像制造小鼠那样用这种细胞造出一个人来）。如果iPS细胞真的与人体ES细胞完全一致，这些争论将不复存在。这意味着我们本来用在ES细胞上的操作都可以在iPS上进行，也意味着不破坏人类胚胎就可以在生物医学上取得相同的进展。但是即便如此，对那些认为只要有发展成人类潜能的胚胎，就应该具有人类权益的人而言，这可能仍然不是一个好消息：如果我们所有的细胞都有变成iPS细胞（也就是变成人）的潜能，那么又有谁能阻止它们享受作为人类的权益呢？

在一个普通的胚胎中，内细胞团只在很短的时间内具备这种多能性，在此之后，它们很快就会开始分化，变得各不相同。由于胚胎中有一个充满液体的腔体，在体积一开始没有很大变化的内细胞团中，部分细胞会被其他细胞完全包围，还有一些细胞现在有了自由表面。这些自由表面再次打破了细胞间连接的均一性，让与液体接触的那些细胞变得与众不同。这些细胞会变成致密的密封细胞层，即下胚层。②人们曾经认为下胚层的产生是细胞对位置的直接反应，但最近的实验表明，内细胞团中的某些细胞随机地提前做好了变成下胚层的准备。一旦胚胎有了与液体接触的面，这些细胞就会迁移到表面，其他细胞则会退入细胞内部。12无论采用哪种方式，自由表面再次界定了空间秩序（图8）。部分下胚层细胞停留在它们形成的地方，但更多的细胞会向外延伸，排列在滋养层细胞上，形成一个中空的囊状，即卵黄囊——沿用这个名称是为了和“低等”脊椎动物带有卵黄的胚胎保持一致（图8）。

内细胞团的剩余部分分开形成两层细胞。直接与下胚层相邻的细胞会黏附在下胚层上，形成一个新的细胞层：上胚层。覆在其上的细胞会脱离，它们与上胚层分离的地方会形成一个新的空间，名为羊膜腔（图8）。由上胚层—下胚层形成的双层盘状结构：胚盘被羊膜腔和卵黄囊夹在中间，就像希腊字母θ中间的那一道。婴儿的所有细胞都将发育自上胚层。13，14

本章关注的重点事件都是关于如何打破相同之处的，以及胚胎如何从之前一模一样的细胞上建立起差异。在发育早期，胚胎一次又一次地利用“自由表面”的技巧，因为这样可以把几何结构转化成新的信息。在每次应用中，单纯的局部影响就可以带来大规模的变化，不需要任何细胞纵观全局、运筹帷幄。胚胎一旦有了不同的组织，再创造差异就简单了。举个例子，在细胞类型A和类型B接触的地方，就可以产生一种新的细胞类型C，接下来就有了新的接触区（A-C和B-C），每个区域都会指定形成其他类型的细胞。因而，这种主要利用外部信号的时期，自由表面之类的结构之后就会被内部的区别所取代。下一章的主题将是这其中最早发生，也是最引人瞩目的机制。

参考文献

1.Braude P, Bolton V, Moore S. Human gene expression fi rst occurs between the four and eight-cell stages of preimplantation development. Nature. 1988;332:459–61.

2.Van de Velde H, Cauffman G, Tournaye H, Devroey P, Liebaers I. The four blastomeres of a 4-cell stage human embryo are able to develop individually into blastocysts with inner cell mass and trophectoderm. Hum Reprod 2008;23:1742–7.

3.Sasaki H. Mechanisms of trophectoderm fate specifi cation in preimplantation mouse development. Dev Growth Differ. 2010;52:263–73.

4.Cohen M, Meisser A, Bischof P. Metalloproteinases and human placental invasiveness. Placenta. 2006;27:783–93.

5.Mor G. Infl ammation and pregnancy: the role of toll-like receptors in trophoblast-immune interaction. Ann N Y Acad Sci. 2008;1127:121–8.

6.Shaw JL, Dey SK, Critchley HO, Horne AW. Current knowledge of the aetiology of human tubal ectopic pregnancy. Hum Reprod Update. 2010 July–August; 16(4): 432–44.

7.Maximow AA. The lymphocyte is a stem cell, common to different blood elements in embryonic development and during the post-fetal life of mammals. Eng. Trans in Cell Ther Transplant. 2009;1:e.000032.01. doi:10.3205/ctt-2009-en-000032.01.

8.Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 1981;292:154–6.

9.Pitera JE, Turmaine M, Woolf AS, Scambler PJ. Generation of mice with a conditional null fraser syndrome 1 (Fras1) allele. Genesis. 2012 June 22. doi: 10.1002/dvg.22045.

10.Thomson JA, Odorico JS. Human embryonic stem cell and embryonic germ cell lines. Trends Biotechnol. 2000;18:53–7.

11.Takahashi K, Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fi broblast cultures by defi ned factors. Cell. 2006 Aug 25;126(4):663–76.

12.Cockburn K, Rossant J. Making the blastocyst: lessons from the mouse. J Clin Invest. 2010;120:995–1003.

13.Gardner RL, Rossant J. Investigation of the fate of 4–5 day post-coitum mouse inner cell mass cells by blastocyst injection. J Embryol Exp Morphol. 1979;52:141–52.

14.Lawson KA, Meneses JJ, Pedersen RA. Clonal analysis of epiblast fate during germ layer formation in the mouse embryo. Development. 1991;113:891–911.

①当然了，衣原体绝非导致宫外孕的唯一原因，有些宫外孕根本找不到原因。

②下胚层通常被称为“原始内胚层”（primitive endoderm），与哺乳动物相关。本书使用了“下胚层”一词，避免与另一种“内胚层”（endoderm）混淆。