導(dǎo)讀

據(jù)微信公眾號“科學(xué)大院”（ID：kexuedayuan）10月12日報道，中國研究員團(tuán)隊通過對單倍體胚胎干細(xì)胞進(jìn)行印記基因修飾并利用該細(xì)胞進(jìn)行復(fù)雜胚胎操作的形式，得到了世界上首只雙父親來源的小鼠，以及性狀正常的雙母親小鼠。

我們所在的這顆藍(lán)色星球上，每個角落里似乎都有生命的存在。無論在進(jìn)化樹上處于哪個位置，維持種族的繁衍是所有生命體都要必須面對的頭等大事。

最簡單的生命體——病毒，需要借助宿主細(xì)胞進(jìn)行擴(kuò)增和繁殖；細(xì)菌和部分植物采用孢子繁殖，這是一種簡單的無性生殖；蜜蜂和螞蟻則采用孤雌繁殖，僅靠種群中的雌性就能繁育后代；而處于進(jìn)化樹頂端的哺乳動物則采用有性生殖，這種精子和卵子結(jié)合的生殖方式既能夠保證群體基因組的穩(wěn)定，又能通過基因重組推動物種的進(jìn)化。

數(shù)以百萬年來，精子和卵子的結(jié)合被認(rèn)為是高等動物新生命誕生的必經(jīng)之路，同樣維系著人類種族的繁衍。然而，來自中國科學(xué)院的科學(xué)家們正在探索生命形成的本質(zhì)，人們心中固有的經(jīng)典生殖規(guī)律可能會被打破。

中科院動物研究所指出，與孤雌生殖對應(yīng)的孤雄生殖極其罕見，迄今只在一種斑馬魚中發(fā)現(xiàn)孤雄生殖。然而對于高等哺乳動物，無論孤雌生殖或孤雄生殖都不存在。科學(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。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)為是阻礙哺乳動物同性生殖的重要因素。

東京農(nóng)業(yè)大學(xué)Kono實驗室曾在未成熟卵中刪除了2個印記控制區(qū)段，成功得到了活的孤雌小鼠，首次實現(xiàn)了哺乳動物的孤雌生殖，引起廣泛關(guān)注。

中國科學(xué)院動物研究所胡寶洋研究員、周琪研究員和李偉研究員團(tuán)隊合作，通過對單倍體胚胎干細(xì)胞進(jìn)行印記基因修飾并利用該細(xì)胞進(jìn)行復(fù)雜胚胎操作的形式，得到了世界上首只雙父親來源的小鼠，以及性狀正常的雙母親小鼠。相關(guān)工作于10月11日以長文的形式在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞干細(xì)胞》（Cell stem cell）上發(fā)表。

雙父親來源的小鼠  圖自phys.org網(wǎng)站

人造精子

科學(xué)家們首先創(chuàng)造了“人造精子”：在實驗室中，一顆小鼠的精子被注射到去除細(xì)胞核的卵子中，精子經(jīng)歷了卵子的重編程后華麗地變身為一種新型的干細(xì)胞—“孤雄單倍體干細(xì)胞”。研究發(fā)現(xiàn)，孤雄單倍體干細(xì)胞既保持了胚胎干細(xì)胞的多能性和分化潛能，又同精子一樣僅具有1套染色體。更為神奇的是，科學(xué)家們利用孤雄單倍體干細(xì)胞成功地替代精子完成了卵母細(xì)胞受精的使命，繁育獲得了后代。

孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞替代精子獲得后代

性別逆轉(zhuǎn)

那么，單倍體干細(xì)胞能否“性別逆轉(zhuǎn)”，實現(xiàn)孤雄單倍體干細(xì)胞和孤雌單倍體干細(xì)胞之間的轉(zhuǎn)換呢？然而要真正實現(xiàn)性別的“逆轉(zhuǎn)”可不容易。哺乳動物在進(jìn)化過程中，為了區(qū)分精子和卵子，在各自的基因位置上進(jìn)化出類似于“鎖”一樣的印記基因，而要想性別的“逆轉(zhuǎn)”，就要在印記基因上下功夫。科學(xué)家們利用“基因編輯”技術(shù)改變了小鼠孤雌單倍體干細(xì)胞中兩個被稱為H19和IG的重要印記基因區(qū)域，這使得它們在基因形態(tài)上具有了精子的特征。

孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞替代精子獲得雙母親基因組來源孤雌小鼠

孤雌生殖

經(jīng)過了一系列“瞞天過?！钡母脑?，來自雌鼠A的卵母細(xì)胞先被激活、之后完成了性別逆轉(zhuǎn)，并被再次注射進(jìn)來自雌鼠B的卵母細(xì)胞中?！八齻儭弊罱K突破了性別的束縛，獲得了愛的結(jié)晶，成功地發(fā)育成為由兩個雌性小鼠作為親本的后代，這就如同西游記中神奇的“女兒國之水”，不需要“御弟哥哥”，哺乳動物的孤雌生殖已經(jīng)在實驗室中成為了現(xiàn)實！

孤雌單倍體干細(xì)胞經(jīng)過基因編輯后注入卵母細(xì)胞中，能夠發(fā)育成個體

雙母親來源的小鼠  圖自phys.org網(wǎng)站

然而更多人的關(guān)注點(diǎn)在于這種來源的個體是否健康。正如公眾關(guān)心的一樣，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)這種獲得個體除了意外獲得了長壽特性外，存在生長速度緩慢，焦慮難安的精神問題。為了獲得健康的雙母親來源的個體，科學(xué)家又找到了一個新的精子來源的大鎖——Rasgrf1，這把大鎖一加，獲得的孤雌個體就和正常個體無異。

3KO的小鼠比2KO的小鼠更加接近野生型小鼠

雙母親來源的小鼠  圖自phys.org網(wǎng)站

孤雄生殖

既然雌性之間的同性生殖已經(jīng)被科學(xué)家攻克，那么雄性之間的同性生殖也不會遠(yuǎn)了。這一次，科學(xué)家試圖尋找限制雄性單倍體干細(xì)胞的“枷鎖”。通過精確修飾孤雄單倍體干細(xì)胞上6個印記基因（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg3），并將其與另外一枚精子同時注射到小鼠去核卵中，經(jīng)歷多輪改造后，兩枚精子來源的胚胎也成功獲得了后代。然而，這種個體存在很多健康問題并不能存活?？茖W(xué)家將另外一個重要印記基因（Gnas）進(jìn)行了精確修飾后，終于獲得了更為正常、健康的雙父親小鼠，并實現(xiàn)了短期的存活。

通過精確修飾孤雄單倍體干細(xì)胞上6個印記基因，并將其與另外一枚精子同時注射到小鼠去核卵中，培養(yǎng)成胚胎干細(xì)胞，通過四倍體補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢缘玫胶蟠?KO的小鼠相比與6KO的小鼠更接近正常小鼠，可以短期存活。

中科院動物研究所指出，該項研究利用單倍體胚胎干細(xì)胞技術(shù)作為平臺，系統(tǒng)證明了哺乳動物中跨越同性生殖障礙需要經(jīng)歷的三步：1、單倍體干細(xì)胞展現(xiàn)出類似原始生殖細(xì)胞的“無印記”模式；2、在單倍體干細(xì)胞中對特定印記區(qū)段進(jìn)行修飾，建立新的印記模式；3、結(jié)合卵母細(xì)胞注射或四倍體囊胚補(bǔ)償技術(shù)獲得孤雌或孤雄動物。

該研究也證實了，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)育的孤雌動物。得到孤雄小鼠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。這些發(fā)現(xiàn)對理解基因組印記的進(jìn)化、調(diào)控和功能具有重要意義，對于開發(fā)新的動物生殖手段也有重要價值。

如今，哺乳動物同性生殖已在實驗室中獲得了成功。然而，科學(xué)仍在不斷發(fā)展，終有一天，我們將解開關(guān)于生命和人類自身的奧秘。

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