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    中科院科學家讓同性小鼠產生后代,首次實現哺乳動物孤雄生殖

    黎方宇2018-10-13 06:36:50

    擁有兩位母親的小鼠可以繁衍健康的后代;擁有兩位父親的小鼠是首次問世,目前只能存活數天。

    自然情況下,一些昆蟲、魚類、爬行類和鳥類可以通過孤雌生殖繁衍后代,而哺乳動物需要兩種生殖細胞的結合才能產生后代,也就是有性生殖。

    而在實驗室中,科學家們陸續實現了用同性生殖細胞的結合產生后代。

    最新的進展來自中國科學院動物研究所的李偉課題組、周琪課題組和胡寶洋課題組的合作,利用干細胞技術和基因編輯技術,得到了健康的雙母親來源的小鼠,和世界上首只雙父親來源的小鼠,論文刊登在本周《細胞-干細胞》(Cell Stem Cell)上。

    這項技術尚未達到成熟階段。實驗中,雙母親來源的小鼠繁衍了健康的后代,而雙父親來源的小鼠出生后不久就去世了,12 只中只有 2 只存活超過 48 小時。

    這項研究提出了同性親本產生后代如此困難的原因,以及克服這種障礙的可能方法。

    “基因組印記”現象(genomic imprinting)正是自然條件下,哺乳動物無法無性生殖的原因。哺乳動物在進化過程中,為了區分精子和卵細胞,在各自基因上進化出不同的標記。只有這些印記共同作用時,才會生出健康的后代。如果只有父親或母親的遺傳物質,一些基因將無法表達,影響胚胎的正常發育。

    改變這種“印記”、使生殖細胞在基因層面“變性”是科學家們長久以來努力的方向。2004 年,東京農業大學的河野友宏團隊修飾了未成熟卵細胞的基因,使之模仿精子的染色體表達。研究中,457 個胚胎中最終有 2 只小鼠出生。研究團隊將其中之一取名為“輝夜姬”,名字來源于日本傳說中的竹取公主。

    中科院動物所的團隊則找到了成功率更高的方法。他們發現,單倍體胚胎干細胞中的基因組印記更少,潛在的影響也更容易消除。

    印記的表達由差異甲基化來控制,因此可以通過去甲基化得到無印記的單倍體,來自李治琨等
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    單倍體胚胎干細胞是指只含有一半染色體,但能像正常干細胞一樣分裂分化的細胞。由于這種干細胞更接近原始生殖細胞,在精子和卵細胞里發現的基因組印記在這里“被抹去”了。

    團隊先激活雌鼠的卵母細胞,生成孤雌單倍體胚胎干細胞,再利用 CRISPR-Cas9 系統移除了 3 個基因組印記較多的區域,達成“性別轉換”。隨后,科學家將這些干細胞的遺傳物質注射到另一雌鼠的卵細胞中,并誘導胚胎的發育和形成。

    孤雌生殖流程示意,來自李治琨等

    研究發現,這種孤雌生殖方式獲得的個體表現出了長壽特性,但存在生長緩慢、精神焦慮的問題。在近一步修飾基因后,最終,210 個胚胎中,有 29 只小鼠誕生,順利活到成年,并繁衍自己的后代,和正常個體無異。

    健康成年雙母小鼠和它的后代,來自王樂韻
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    攻克雙母親小鼠的誕生后,團隊開始攻克雄性間的同性生殖,但這比前者要困難得多。

    首先,孤雄單倍體胚胎干細胞中基因組印記的關鍵區域有 7 處之多。其次,雄性個體沒有卵細胞,因此需要將激活后的孤雄干細胞和另一雄鼠的精子一同注射到去核卵細胞中,再經歷體外的培養,才能轉移到代孕小鼠的子宮當中。

    雄鼠沒有卵細胞,因此仍需雌鼠提供卵細胞和子宮,來自李治琨等
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    盡管經過了復雜的多輪改造和精確修飾,在 477 個胚胎中,只有 12 只小鼠成功誕生,其中,只有 2 只小鼠存活超過 2 天。研究人員正改進方法,延長孤雄后代小鼠的壽命。

    雙父小鼠幼崽,來自王樂韻

    這個困難是可以預期的,剛開始團隊也并沒有成功的把握。自然界中,孤雄生殖極其罕見,目前僅在一種稀有雜交魚類和一些無脊椎動物中有發現。

    自然界中也并沒有哺乳動物單性生殖的報告。實驗室中的研究可以上溯到 1936 年,生物學家格雷戈里·平卡斯報道稱誘導成功了兔子的孤雌生殖。之后就是 2004 年的“輝夜姬”。2010 年,Richard Behringer 團隊曾提出一項雙父親技術,但實際上是讓父本 A 的基因缺陷雌性后代與父本 B 繁衍,回避了基因組印記的問題。此外,也有一些在猴子和豬中做的研究。由于基因印記的存在,胚胎往往難以發育。

    人類細胞也有相應的研究,但并非出于繁衍目的,而是用于干細胞療法的嘗試。早在 2007 年,Elena Revazova 團隊率先利用孤雌生殖技術將卵細胞轉化為干細胞,提供了干細胞生成的一種方式。同樣在 2007 年,一些調查報告表明,此前因造假聲名掃地的黃禹錫曾無意間獲得了孤雌胚胎干細胞。隨著 2012 年山中伸彌和約翰·戈登獲得諾貝爾生理學獎,他們利用誘導性多能干細胞將體細胞轉化為卵細胞的方法也成為了熱點研究話題。

    但即使是如今的這項研究,距離人體應用也還十分遙遠。小鼠體系中的種種難關尚未解決,由于每個物種基因組印記各有不同,再加上人類胚胎的類似研究的諸多法規限制,從小鼠到人類的轉化也存在著技術和倫理上的重重挑戰。

    即便如此,這項研究也提供了一些重要的信息,它可以幫助理解各種基因在發育當中的作用,甚至幫助理解某些不育癥和先天疾病的起源。


    DOI:?10.1016/j.stem.2018.09.004?,文內圖片均來自論文作者

    題圖:健康成年雙母小鼠和它的后代,來自中科院動物所王樂韻

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