數(shù)百萬年來，處于進(jìn)化樹頂端的高等動(dòng)物有著固有的經(jīng)典生殖規(guī)律，即依靠精子和卵子結(jié)合維系著種族繁衍。目前，這一經(jīng)典規(guī)律或有被打破的可能，中科院動(dòng)物所的研究團(tuán)隊(duì)在小鼠身上率先獲得了與正常小鼠無異的孤雌生殖小鼠，同時(shí)首次看到了孤雄小鼠能存活至出生后48小時(shí)。

10月11日，上述研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell 。該研究工作由中科院動(dòng)物所和中科院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院完成，動(dòng)物所研究員胡寶洋、周琪和李偉為論文的共同通訊作者，博士后李治琨、王樂韻，博士生王立賓、袁雪薇以及副研究員馮桂海為共同第一作者。

印記修飾能夠全跨越同性生殖障礙，孤雌小鼠完全正常、孤雄小鼠能存活但早夭。

所謂的孤雌生殖，即即不經(jīng)過與雄性的交配，雌性個(gè)體即可生下后代。作為有性生殖的補(bǔ)充，孤雌生殖能在缺乏雄性的情況下，維持個(gè)體的繁衍與種群的更新。

實(shí)際上，孤雌生殖的現(xiàn)象在動(dòng)物中并不罕見，例如在爬行類的蜥蜴、兩棲類的蛙，以及多種魚類中均存在。不過，與孤雌生殖對(duì)應(yīng)的孤雄生殖則極其罕見，迄今只在一種斑馬魚中發(fā)現(xiàn)孤雄生殖。

然而，對(duì)于高等哺乳動(dòng)物來說，無論是孤雌生殖還是孤雄生殖都不存在?？茖W(xué)家們?nèi)斯?gòu)建出的孤雌或孤雄胚胎均在發(fā)育早期死亡。上世紀(jì)80年代，德國馬普所Davor Solter和劍橋Azim Surani等實(shí)驗(yàn)室通過核移植實(shí)驗(yàn)證明，只有同時(shí)具備雙親染色體的老鼠胚胎才能存活，這表明父源和母源基因組對(duì)于胚胎發(fā)育的貢獻(xiàn)存在不對(duì)稱性。

敲掉阻礙孤雌生殖的三把“枷鎖”

此前有研究提出，在爬行類和兩棲類不存在、而在哺乳類進(jìn)化出來的印記基因被認(rèn)為是阻礙哺乳動(dòng)物同性生殖的重要因素。通俗來說，印記基因就像哺乳動(dòng)物的性別“枷鎖”，想要沖破性別障礙，就要在印記基因上琢磨突破口。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的印記基因超過100個(gè)，隨機(jī)分布于染色體的數(shù)十個(gè)區(qū)段上，表達(dá)模式由印記控制區(qū)段的差異甲基化來控制。

東京農(nóng)業(yè)大學(xué)Kono實(shí)驗(yàn)室曾在未成熟卵中刪除了2個(gè)印記控制區(qū)段，即H19和IG，就成功得到了活的孤雌小鼠。這也是全球?qū)嶒?yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了哺乳動(dòng)物的孤雌生殖，曾引起廣泛關(guān)注。

然而，許多新的科學(xué)問題也隨之而來：為什么在眾多印記區(qū)段中，僅僅改變兩個(gè)即可實(shí)現(xiàn)孤雌生殖？這些孤雌小鼠為什么有發(fā)育缺陷？孤雄生殖有可能在最高等的哺乳動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)嗎？

中國科學(xué)院動(dòng)物研究所研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合單倍體（僅有一套染色體）干細(xì)胞技術(shù)和基因編輯技術(shù)對(duì)這些問題進(jìn)行探索。

研究團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)，由卵細(xì)胞建立的孤雌單倍體干細(xì)胞，在高代次條件下，利用基因編輯技術(shù)刪除與Kono實(shí)驗(yàn)室相同的兩個(gè)印記區(qū)段。隨后，研究人員將它們注射進(jìn)第二個(gè)卵細(xì)胞。最終成功地發(fā)育得到“兩個(gè)母親”作為親本的后代，即孤雌小鼠。

研究人員進(jìn)一步，高代次的孤雌單倍體細(xì)胞展現(xiàn)出了一種不同于卵子或較低代次細(xì)胞，反而類似原始生殖細(xì)胞的全基因組甲基化模式，且所有的印記區(qū)段都呈現(xiàn)出類似原始生殖細(xì)胞的“無印記”狀態(tài)。

論文中指出，這就解釋了為何“僅僅刪除2個(gè)”印記區(qū)段，就能獲得孤雌小鼠：實(shí)際上，所有繼承自卵細(xì)胞的印記基因，在孤雌單倍體干細(xì)胞中都經(jīng)歷了印記模式的“重新修正”。 即孤雌單倍體干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了“性別逆轉(zhuǎn)”，使得它們?cè)诨蛐螒B(tài)上具有精子特征。

不過，僅改動(dòng)兩個(gè)印記區(qū)段并不是成功的終點(diǎn)。和Kono獲得的孤雌小鼠一樣，中科院動(dòng)物所的研究團(tuán)隊(duì)通過上述方法獲得的孤雌小鼠也存在多種缺陷異于“正?！保哼@些小鼠壽命延長，但生長速度緩慢、焦慮難安。

研究團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，在孤雌小鼠中還存在另一把“枷鎖”，即印記基因Rasgrf1。他們之前獲得孤雌小鼠其他所有印記基因都與正常小鼠無異，但印記基因Rasgrf1表達(dá)顯著異常。

研究人員在孤雌單倍體干細(xì)胞中同時(shí)刪除了H19、IG和Rasgrf1三個(gè)印記區(qū)段后，最終首次獲得了在發(fā)育、行為、代謝和生育力上均與正常小鼠無異的孤雌小鼠。

和正常小鼠無異的孤雌小鼠及其后代。

首次實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物孤雄生殖

研究團(tuán)隊(duì)用同樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嘗試獲得孤雄小鼠。

在由精子建立的孤雄單倍體干細(xì)胞中，研究人員同樣發(fā)現(xiàn)了類似原始生殖細(xì)胞的甲基化模式。這意味著，在低等脊椎動(dòng)物中罕見的孤雄生殖，有可能在哺乳動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)。

研究人員在孤雄單倍體干細(xì)胞中，首先篩選并刪除了6個(gè)重要的印記控制區(qū)段（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg36）。這些細(xì)胞與另一顆精子所形成的孤雄胚胎成功獲得了后代。然而，這種個(gè)體存在很多健康問題并不能存活。

研究團(tuán)隊(duì)將第7個(gè)重要印記基因（Gnas）精確修飾后，結(jié)果進(jìn)一步改善。

不過，和前述最終獲得的健康正常的孤雌小鼠依然有所區(qū)別。刪除7個(gè)印記基因的孤雄小鼠雖然外觀正常、可以自主呼吸，但仍存在很多健康問題，都在出生后48小時(shí)內(nèi)死亡。

雖然存活時(shí)間較短，但該項(xiàng)研究也是首次獲得了具有兩個(gè)父系基因組的孤雄小鼠，證實(shí)了即便在最高等的哺乳動(dòng)物中，孤雄生殖也有可能實(shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)提到，更完善的印記修飾能夠完全跨越孤雌生殖障礙，獲得健康發(fā)育的孤雌動(dòng)物。得到孤雄小鼠則需要更多的印記修飾，而所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，哺乳動(dòng)物同性生殖此番在實(shí)驗(yàn)室中獲得了成功，對(duì)理解基因組印記的進(jìn)化、調(diào)控和功能具有重要意義，對(duì)于開發(fā)新的動(dòng)物生殖手段也有重要價(jià)值。

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