第30期：生殖研究的先锋--Dr.Ryuzo Yanagimachi
文摘
科学
2024-07-20 02:24
爱尔兰
作者：夏繁（2021级硕士），赵萌萌（2020级硕士）Dr. Ryuzo Yanagimachi
Dr.Ryuzo Yanagimachi（绰号“Yana”)，于1965年进入夏威夷大学（Hawaii University，UH）工作，2005年退休后仍以荣休教授的身份在IBR研究所(Institute for Biogenesis Research)进行科研工作，忙于研究哺乳动物、鱼类和昆虫的受精过程。即使将近90岁了，他仍然坚持每周7天进入实验室。Yana以其对生殖生物学的研究特别是在人类体外受精、ICSI、冷冻精子和克隆小鼠等方面方面开创性工作，被誉为生殖科学和体外受精的先锋。Yana的童年
Yana出生于1928年，他成长的阶段正处于日本入侵中国，而开始的长期的战争，第二次世界大战结束时，他刚满17岁。他的祖父是一个低级武士的儿子，在北海道（Hokkaido）做贸易生意。Yana的亲戚几乎都是商人，他们一直在谈论钱。尽管那时候他还是个孩子，他有不同认识，认为钱不是一切。在札幌上文法学校时，Yana的哥哥和朋友在早春带他去附近的山上收集青蛙卵和金盏花；夏天，他们去同一座山捕捉蝴蝶和许多其他昆虫。这是他第一次全身心的置身大自然之中。由此，他一直对科学很感兴趣，Yana也打趣道如果他的数学能力更强的话，他可能会成为一名天文学家。同时，他认为拯救濒危物种的最好方法是保护它们的环境，这样它们就可以在适当的环境中生活和繁殖，并能够在不被猎杀的情况下补充种群数量，人们应该更加关注从地球表面迅速消失的许多不同物种。Yana的求学和科研经历
20岁出头的时候，Yana从事土木工程的学习，尽管他完成了学业，但他对是否将一生都投入到土木建设中有些疑虑。他对自然之美念念不忘，因此他决定去做他真正抱有热情的事情。此前Yana没有正式学习过生物学的任何课程，因此他开始自学，并再次求学，进入Hokkaido University的基础科学院.“如果没有决心，我可能一事无成”。在Hokkaido University学习动物学时，他就知道自己想做什么：研究受精和胚胎生物学。但Yana在1960年获得动物胚胎学博士学位后，却发现自己被科学拒之门外。当时在日本，他找不到工作，教授们决定了谁可以成为一名研究者，以及他们可以在哪里工作。虽然Yana的大多数朋友都找了科研职位，但他唯一能找到的工作是作为一名高中教师。他坚持了两年，在业余时间到大学实验室研究鱼类，但是当时研究鱼类的日本人实在太多了。Yana决定去研究哺乳动物。于是他写信给伍斯特实验生物学基金会（WFEB）的M.C.Chang（张民觉，见23期文章）先生，并得到了一个博士后职位。1960年代去美国留学的人还非常少，这对Yana是个巨大的挑战。在WFEB，Yana做出了他的第一个重大发现——一种在实验室里使仓鼠卵受精的方法。University of Wisconsin的Dr. Barry Bavister认为：“Yana这项工作直接为人类体外受精铺平了道路，提供了一种使得科学家在1969年能在实验室中实现人类卵子受精的方法。这是一个技术突破，但也是一个概念突破。”Yana完成4年的博士后工作后，回到了日本。这一次，他在Hokkaido University担任了一个临时讲师，并被告知他可能获得一个助理教授的职位。 然而，另一个候选人出现了，并获得了这个职位。1965, Prof.Robert W. Noyes (之前在Vanderbilt University任教) 加入了Hawaii University大学（UH）医学院，担任副院长，询问Yana是否愿意加入新成立的UH解刨学和生殖生物学系担任助理教授。Yana接受了Prof.Noyes的邀请，首先Yana认为Prof. Noyes招募的教授们很有水平，其次，“那里是Hawaii，天气好！” 此后，他一直留在了夏威夷大学，愉快地在刚开始工作时改建的无窗的仓库里工作。孜孜不倦的工作狂
在Yana的生活中几乎没有什么可以分散他的对科学的持久热爱和做最不可能的实验注意力。他的妻子裕子曾在日本接受过儿童心理学家的培训，但由于语言障碍，她在美国自己所在的领域找不到工作。所以，Yana教会了她使用电子显微镜，能在自己的实验室工作。这对夫妇没有孩子，住在离实验室只有两英里的地方，在那个没有窗户的实验室，他们每天都工作很长时间，一周工作7天。同事们说，哪怕你在周六晚上10点离开实验室，你仍是是第一个离开人。正是这种独特的奉献，加上不寻常的创造力，才诞生了Yana的产出。Yana回忆自己的科研生涯，认为自己起步很晚，38岁时才在UH得到教职，他的很多大学同学远早于Yana就找到了合适的职位。因此，Yana总是鞭策自己工作上要更加努力，追赶上其他人，因此有些人会认为他是工作狂，但他真的是享受其中，即每天只睡很少的时间，他不知疲倦。另外，Yana经常感叹，在做科研的时候，可以发现自然的奥秘，这是科学家独享的特权，而且不像人，自然规律从不欺骗（Another motivation was that I felt it is a scientist’s privilege to discover the secrets of nature. Unlike people, nature never lies）。 来自密苏里大学的胚胎学家Dr. Michael Roberts评价Yana的工作时称赞他真是一个传奇，他做的一些古怪的实验，没有人认为会奏效，但他却能以某种方式实现。对圆头精子进行显微注射是一个这样的例证，充分体现Yana是如何思考科学和研究的。那个时候，文献里不清楚在精子生成时经历怎样的染色体变化，才能使得精子满足正常胚胎发育的需要。Yana将圆头精子注射到卵子内，能获得正常的后代，证明健康的精子生成形成时需要染色质浓缩，但对胚胎和胎儿的发育不是必须的。 Yana利用这样的发育检测手段回答了很多科学问题，比如从卵母细胞的第一极体获得的DNA也能成功的使卵子受精，解决了科学界很长一段时间对极体遗传物质困惑。也发现精子内的DNA被鱼精蛋白包裹，高度浓缩，使用能破坏体细胞DNA的超声波也不能损坏精子的DNA。克隆鼠的工作也是这样的例子，Yana从未申请研究克隆的基金，但这并没有什么影响。在克隆羊Dolly诞生后，很多人提出疑问，这是否是真的成年动物体细胞的克隆，而且400次的尝试后才成果，即使是克隆羊，这项技术的效率是不是太低了。当时，部分科学家认为由于小鼠生理上的特殊性，不可能被克隆。Yana和Wakayama直面这个挑战，默默的走在了相关研究的前沿，开发了新的体细胞核移植技术。基于Yana对体外受精技术的研究，他们可以将小鼠精子的尾巴去掉，而将精子的头部注射到卵子内实现受精。Wakayama具有高超的显微操作技术，加入Yana实验室后，他们便开始探索能否将体细胞的遗传物质转移到去核的小鼠卵子内，进而发育成个体，也就是克隆。Yana没有申请经费来支持克隆实验，但决心已定。在NIH有限的资助下，他听从了导师30多年前的建议：利用资助资金，每周花三天时间做你承诺要做的研究，然后花另外两天时间做任何你想做的事。他们利用卵丘细胞作为体细胞，做了50次克隆或再克隆，获得了成活的克隆小鼠，1998年在Nature上发表了相关成果。当时有人认为克隆人很快就会到来，而Yana反驳：“如果地球上所有的人都是不育的，这可能是合理的，但在那之前，我们应该坚持大自然赋予我们的繁衍方式。”第一批克隆鼠
主要的成就
Yana在生殖生物学的不同领域做出了许多重要的发现。他是第一个分析顶体反应的人，在2018年还在BOR上发表了一篇关于顶体反应的综述。他发明了能可视化观测人类精子染色体的技术。Yana的团队观测到Ca2+离子对的精子顶体反应、超活化和精卵的融合都非常重要，以及卵子的胞质内游离的Ca2+能激活卵子。Yana证明了皮质颗粒细胞在受精的重要性。他是第一个冷冻干燥精子的人，并表明它们可以在环境温度下通过普通邮件运输，并保持其遗传完整性和受精能力。他的实验室是第一个成功重复哺乳动物克隆，也是第一完成连续克隆。随后，Yana和其他研究者合作获得胚胎干细胞（ES）和大脑神经元作供体的克隆动物。Yana的克隆技术也被用来证明迁移的原始生殖细胞具有全能性。从左上角顺时针方向：1963年，已经有了重要的发现；2004年在实验台上——不同形式的显微镜是Yana研究的得力，他仍然进行实验；2004年，IBR洪水后——Yana努力清理实验室；2001年，访问伊斯坦布尔-他喜欢旅行；2004年，亚娜和他的妻子在他的88岁生日庆祝活动上；Yana和世界上第一只克隆老鼠。在20世纪60年代，大多数科学家认为哺乳动物的输卵管具有独特环境，永远不能在试管中复制，体外受精(IVF)不可能发生。作为一个年轻的博士后研究员，Yana和导师M.C.Chang对这个想法提出了异议。Yana认为，IVF是精确分析哺乳动物受精过程和机制的关键途径。实现体外受精的关键障碍之一是解析精子行为，这在体内和体外是不同的。Yana成功地建立了实验条件，允许精子在体外使金仓鼠的卵子受精，这被认为是哺乳动物精子首次在体外成功的受精。了解精子的获能过程对人类体外受精技术开发至关重要，Lopata和Yana是最早在体外观察到人类精子穿透卵的人。在 1970 年代，卵母细胞注射工具已经被开发处理，用以研究细胞信号传导，而 Yana 认为可以对其进行修改以将精子细胞注射到卵子中。1976 年，他成功地将金色叙利亚仓鼠精子注射到卵母细胞中，并证明精子核转变为外观正常的原核。甚至睾丸精细胞（仓鼠）和冻干（人）精子的细胞核在注射到卵母细胞（仓鼠）后也转化为原核。后来，他的团队完善了小鼠卵胞浆内单精子注射 (ICSI) 技术，该技术如今已被广泛使用。首次使用 ICSI 获得小鼠幼崽，促使该技术在人类生殖障碍治疗中的使用。从他对精子的多年研究中，Yana预测 DNA 可能会“粘”在精子表面。 这个想法导致开发了一种新的生产转基因动物的方法，即在 ICSI 之前将含有转基因的质粒与精子混合以产生转基因小鼠。这种方法后来被他的同事 Moisyadi 改进，包括使用转座酶，以介导更有效地使 外源DNA整合入胚胎基因组。
Yana使用显微注射技术来测试精细胞注射到卵母细胞后产生可存活后代能力的极限。如前文提到的，他发现小鼠卵母细胞注射圆形精子细胞并转移到代孕母鼠可以发育成足月的正常幼崽。他凭直觉进一步推动了这一点，即诱导卵母细胞从初级和次级卵母细胞成熟的因素，也会引导初级和次级精母细胞中的染色体分离，在注射这些细胞后获得活小鼠。这些实验表明，在精子发生最后一次细胞分裂之前，精子染色质就有能力维持受精后胚胎的正常发育。Yana 做科学研究的另一个指导原则是使其研究与人类健康相关。Yana 入选国家儿童健康与人类发展研究所荣誉殿堂，很大程度上是因为他的许多科学贡献直接指导了人类不孕症的治疗。Yana 发现其他物种的精子可以穿透去除了透明带的仓鼠卵母细胞，这导致了精子穿透试验的发展，用于测试人类精子的获能、与卵膜融合和形成原核的能力。Yana在啮齿动物体外受精方面的开创性工作，紧随其后的是罗伯特·爱德华兹（Robert Edwards），他带领团队通过体外受精生产了第一个人类婴儿。Edwards早期对人类试管婴儿的研究引用了 Yana在该领域的贡献。尽管他们从未一起合作过，Edwards和Yana是多年的好朋友。Yana 在精子注射方面的工作导致临床医生开发 ICSI 作为辅助生殖治疗方法 ，并且他对小鼠圆形精子细胞注射 (ROSI) 的成功示范，启发了几个研究团队尝试使用这种技术来帮助有精子发生缺陷的不育男性生育后代。最后，Yana在克隆方面的工作让我们希望有一天可以从患者自己的细胞中培养出器官，即治疗性克隆。对生殖研究协会（SSR）和生殖生物学杂志（BOR）的贡献
现在PubMed上，可以搜索到340篇Yana的论文，其中72篇（21%)在Biology of Reproduction(BOR)发表，这对BOR是一个巨大的奉献，对整个生殖研究领域有重要的意义。Yana在更高影响力期刊上发表的大多数里程碑式出版物之前都有在BOR上发表的重要报道。例如，1993 年，Yana团队在BOR上发表了将圆形精子细胞注射到卵母细胞内，参与合子形成。随后，他在PNAS上发表了具有里程碑意义，注射圆形精子细胞到卵母细胞内并移植到假孕母鼠体内可以得到足月发育的正常幼崽。后者获得了更广泛的关注，通过参考之前的研究，包括BOR上的研究论文，吸引了领域以外的科学家加入生殖生物学的研究。主要荣誉
Dr.Yanagimachi获得过多奖项荣誉，最著名的是由日本天皇亲自授予国际生物学奖（1996年）、哈特曼奖（1999年）、国际胚胎移植协会先驱奖（2000年）。2001年，他被提名为美国国家科学院院士，2003年他入选了美国国家儿童健康与人类发展的荣誉名人堂，以表彰他为改善妇女和儿童健康做出的杰出贡献；他也被列为UH的100位杰出人物，表彰其对社会作出的卓越贡献（接受记者采访之前，他自己并不知道这个荣誉）。![]()
1996年Dr. Ryuzo Yanagimachi接受国际生物学奖
1.Monika A Ward, W Steven Ward, Contributions of Ryuzo Yanagimachi to the field of reproductive biology, Biology of Reproduction, Volume 100, Issue 1, January 2019, Pages 1–7, https://doi.org/10.1093/biolre/ioy1912.Wakayama T, Perry AC, Zuccotti M, Johnson KR, Yanagimachi R. Full-term development of mice from enucleated oocytes injected with cumulus cell nuclei. Nature. 1998 Jul 23;394(6691):369-74. doi: 10.1038/28615. PMID: 9690471.
