編者按：你一定知道，水是生命之源。你不一定知道，水裡大有乾坤。中科院之聲與中國科學院水生生物研究所聯合開設“水經新注”專欄，在這裡，我們將一起暢遊水世界，探尋水生生物的奧秘，共同守護綠水青山。
眾所周知，細胞是生物體最基本的結構和功能單位。除病毒之外，包括人類在內的所有生物都由細胞組成。除了一些單細胞生物之外，構成一個完整的有機生命體需要各種各樣的細胞分工協作。那麼，這些細胞如何能夠代代相傳，延續“香火”呢？秘密就在於生殖細胞——生命個體在不同世代間傳遞遺傳資訊的唯一介質。而生殖細胞能夠肩負如此重任的秘密武器就在於生殖幹細胞。
圖1 世界首張人類細胞圖譜（Han等，2020）
物種生生不息的源泉——生殖幹細胞
顧名思義，生殖幹細胞就是指具有自我更新能力，又能分化成子代細胞的生殖細胞。胚胎期的生殖幹細胞叫做“原始生殖細胞”（Primordial Germ Cells, PGCs），此時它們的分化能力最強。隨著個體進入青春期，原始生殖細胞既可以分化為雄性中的生殖幹細胞——精原幹細胞（Spermatogonial Stem Cells, SSCs），又可以分化為雌性中的生殖幹細胞——卵原幹細胞（Oogenic Stem Cells, OSCs）。隨著個體的成熟，精、卵原幹細胞最終分別分化為具有功能的配子，也就是我們所熟知的精子和卵子。精子、卵子結合後又可以形成一個新的胚胎，如此週而復始，使得一個物種生生不息。因此，毫不誇張地說，只要我們能夠得到一個物種的生殖幹細胞，我們就有可能複製這個物種！
圖2 生殖幹細胞的示意和分類
我們可以對“生殖幹細胞”做哪些手腳？
既然生殖幹細胞如此強大，科學家們又是如何研究它的呢？首先，研究者們鑑定出了生殖幹細胞的一些分子標記物，例如nanos基因，再利用其調控元件與熒光報告基因融合，就可以特異性地標記生殖幹細胞，從而活體觀察其在體內的增殖、遷移等過程。此外，研究者還可以將生殖幹細胞從體內分離出來，進行體外培養、低溫保藏以及細胞移植等操作，以此來研究生殖幹細胞的相關特性及功能。最為重要的是，目前以CRISPR/Cas9為代表的基因編輯技術也可以應用於生殖幹細胞。一方面，可以研究某些基因的改變對生殖幹細胞自身命運和功能的影響；另一方面，由於針對生殖幹細胞的基因編輯是可以被遺傳的，研究者便可基於對基因功能的瞭解精心設計特定的經遺傳修飾的配子，以此來對物種的特性進行改良，比如編輯某些基因後可以獲得高產、優質、抗病或抗逆的優良子代。
圖3 全時相標記生殖幹細胞和成熟配子的轉基因斑馬魚（葉鼎等, 2019）
目前為止最遙遠的精原幹細胞的成功“嫁接”
前面提到我們可以對生殖幹細胞進行移植操作，其實這個過程就類似於我們所熟知的植物“嫁接”。在動物中，生殖幹細胞的移植最早在雞的胚胎中取得成功，後來該技術也被應用到小鼠和斑馬魚等模式生物。我們既可以在同一物種的不同個體之間進行生殖幹細胞移植，也可以在不同物種之間進行生殖幹細胞移植。由於精原幹細胞相對於其他型別的生殖幹細胞更易於大量獲得，因此目前普遍認為精原幹細胞移植最具應用前景。但是，這一技術能否突破遺傳距離較遠的物種限制，成為制約其能否大範圍應用的關鍵。
日前，中國科學院水生生物研究所孫永華研究員團隊針對這一難題進行研究發現，不同亞科魚類間的精原幹細胞移植也是完全可行的。他們將稀有鮈鯽的精原幹細胞（SSCs）進行基因編輯、分離、純化，並移植到剔除了自身內源生殖細胞的斑馬魚體內，結果發現稀有鮈鯽的SSCs可以在斑馬魚體內正常定植、存活、分裂，並最終分化為成熟的精子；重要的是，這些精子也都是經過基因編輯的。這是目前為止在所有物種中取得的遺傳距離最遠的精原幹細胞移植的首次完全成功，也是利用基因編輯結合精原幹細胞移植獲得不同物種來源的基因編輯配子的首次成功。
圖4 稀有鮈鯽（Gr）和斑馬魚（Dr）亞科間精原幹細胞“嫁接”路線圖（張峰華等, 2021）
“嫁接”生殖幹細胞到底有什麼用？
相信小夥伴一定會有這樣的疑問：我們為什麼要創造生殖幹細胞“移花接木”的“上帝之手”，來讓A物種產生B物種的配子呢？其實，這雙“上帝之手”不僅對於回答許多基礎科學問題十分有意義，而且它能夠大大地提升我們生產實踐的效率。
首先，不同物種間的生殖幹細胞移植模型可以為研究者提供研究生殖細胞和性腺體細胞功能的獨特平臺；同時，利用這一模型可以研究這種“組合性腺”中生殖細胞和性腺體細胞之間的相互作用以及物質和資訊交流，從而揭示一些性腺發育和配子發生過程中的重要規律。此外，對於育種工作者而言，他們面臨的最大困擾在於研究物件通常具有較長的繁殖週期，這將導致整個育種週期十分漫長。
舉個“栗子”，我們愛吃的草魚通常要4-5年才能性成熟，如果要針對某個基因進行改造以提升草魚魚肉的口感，我們至少需要等待三代也就是12年才有可能吃到一口這樣的魚肉，到時候黃花菜都涼了……而如果能將基因編輯技術和生殖幹細胞移植技術相結合，利用繁殖週期較短的物種（如斑馬魚，2-3個月即可性成熟）來生產那些具有較高經濟價值但繁殖週期漫長的物種的配子，將可以大大加速定向遺傳育種的程序，顯著降低育種過程中的人力、物力以及時間成本，從而為我們帶來切實可見的福利。
來源：中國科學院水生生物研究所
