重磅！中國團隊培育出只有父親、沒有母親的小鼠，成功突破同性生殖障礙

生物探索

編者按

通常哺乳動物的繁殖需要父親、母親的合力，科學家們一直試圖突破這一「自然結界」。這周，中國科學家們完成了一項創舉：他們首次培育出雙親是同一性別的小鼠！這些小鼠有且只有兩個母親或者兩個父親。

只有母親、沒有父親的小鼠能夠正常發育、繁殖，圖中它正在照顧自己的幼崽（圖片來源：Leyun Wang）

10月11日，《Cell Stem Cell》期刊在線發表了這一篇題為「Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions」的創新文章，由中國科學院動物研究所的李偉課題組、周琪課題組與胡寶洋課題組合作完成。他們利用單倍體幹細胞和基因編輯技術，首次突破了哺乳動物同性生殖障礙。

具體而言，研究團隊培育出具有兩個母系基因組的孤雌小鼠。這些雙親是兩個「媽媽」的小鼠能夠發育成年，並且繁殖出下一代。

更重要的是，研究團隊打破空白，第一次培育出「孤雄小鼠」——雙親是兩個「父親」。這些小鼠外觀正常，可以自主呼吸。

論文的3位通訊作者：李偉研究員（左）、周琪研究員（中）和胡寶洋研究員（圖片來源：中國科學院動物研究所）

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同性生殖：不需要另一半？

同性生殖（unisexual reproduction）現象在自然界並不鮮有。不少爬行類、兩棲類雌性動物可以在不交配的前提下依靠自己就能生育下後代，也就是「孤雌生殖」。 作為有性生殖的補充，孤雌生殖能在缺乏雄性的情況下，維持個體的繁衍與種群的更新。與之對應的「孤雄生殖」卻極其罕見，迄今為止科學家們只在一種斑馬魚中發現了這一現象。

雖然我們尚不了解同性生殖背後的機制，但是對於哺乳動物而言，這兩種生殖方式都不存在，至少在自然條件下無法實現。即便人工構建出孤雌或孤雄胚胎，它們都在發育早期就死亡了。

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遺傳印記：我們不一樣？

為什麼兩個精子或者兩個卵子無法結合發育成健康個體呢？究其原因，主要與遺傳印記（genomic imprinting）有關。

基因印記是指附著在DNA、負責關閉基因表達的化學標籤，屬於表觀遺傳學修飾。某些特殊位點的基因受到印記的影響，只表達父源或者母源的等位基因，例如編碼胰島素的生長因子 2（IGF2 / Igf2）基因，只有來自父親的IGF2基因能夠表達，而來源於母親的IGF2基因雖然序列無異，但是卻處於關閉狀態。

這意味著，只有同時攜帶父母雙方的染色體才能實現互補，後代才能正常發育。這正是同性來源的胚胎無法正常發育的關鍵。

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刪除印記？實現孤雌生殖

突破哺乳動物同性生殖障礙（突破來源：《Cell Stem Cell》期刊）

科學家們試圖打破哺乳動物的同性生殖障礙，即刪除印記（讓母親的特定基因正常表達，不依賴於父源的補充）。早前，來自日本的研究團隊曾通過刪除未成熟卵細胞中的2個印記控制區段，成功獲得孤雌小鼠，首次實現了哺乳動物的孤雌生殖。

這一嘗試為中國團隊的進一步工作埋下了伏筆。2012年，動物研究所研究團隊通過向沒有細胞核的卵細胞注射精子，製造出染色體數目只有正常數目一半的小鼠胚胎幹細胞。2013年，他們又從未受精的卵子中培育出單倍體胚胎幹細胞（haploid embryonic stem cells），這些細胞攜帶更少的基因印記。2015年，科學家們將母源單倍體細胞注射到卵母細胞中，培育出來自兩個母親的小鼠，即實現了「孤雌生殖」。雖然由此而培育的幼鼠能夠繁殖後代，但是它們總體上比野生小鼠小。

在最新的研究中，他們首先發現，攜帶兩個印記區域缺失（與日本科學家工作相同）的單倍體幹細胞培育出的小鼠在行為測試中表現異常，而且體型較小。為了讓它們更接近於野生小鼠，研究團隊隨後又刪除了Rasgrf1基因上游的印跡區域。Rasgrf1基因在同性生殖而來的小鼠以及野生型小鼠的大腦中表達不同。結果證實，這一選擇很正確。刪除來自雌性小鼠的單倍體胚胎幹細胞中的3個基因印記區域之後，研究團隊將其與另一隻雌性老鼠的卵子結合，培育出新的胚胎（攜帶兩個母親的遺傳物質）。由此產生的小鼠後代發育正常。

他們共培育出29隻「孤雌小鼠」，這些小鼠在發育、行為、代謝和生育力上均與正常小鼠無異。其中，有7隻健康生長至成年，並生下了自己的後代。

04

突破空白，培育孤雄小鼠

只有父親，沒有母親？相比於孤雌生殖，孤雄小鼠的獲得更為複雜。「最大的挑戰是我們不知道孤雄繁殖是否可能存在。」 胡寶洋表示道。

為了找尋答案，他們利用了類似的方法，篩選並刪除了來源於雄性小鼠的單倍體幹細胞中的7個印記區。隨後，他們將該幹細胞的遺傳物質與來源於另一隻雄性小鼠的精子一起注入新鮮的去核卵細胞中，最終獲得只有兩個「父親」的孤雄小鼠。

研究團隊共培育出12隻孤雄小鼠，但是這些小鼠因為呼吸困難等問題僅存活了2天。

只有兩個「父親」的小鼠（圖片來源：Leyun Wang）

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意義與思考

這項研究展示了「在同性哺乳動物之間繁衍後代的一種全新而清晰的方式」，並指明突破同性生殖障礙需要經歷3步：

1）單倍體幹細胞展現出類似原始生殖細胞的「無印記」模式；

2）在單倍體幹細胞中對特定印記區段進行修飾，建立新的印記模式；

3）結合卵母細胞注射或四倍體囊胚補償技術獲得孤雌或孤雄動物。

雖然這項研究對理解基因組印記的進化、調控和功能具有重要意義，為開發新的動物生殖手段提供了線索，但是科學家們懷疑這項技術是否能夠應用於人類。

Weizmann 科學研究所的分子遺傳學家Jacob Hanna認為，這一研究中的大部分胚胎依然是異常的。孤雌胚胎的發育成功率為14%，而孤雄胚胎的成功率僅為2.5%。「這幾乎不可能被允許應用於臨床。」 Jacob Hanna表示。

責編：悠然

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End

參考資料：1）Healthy mice from same-sex parents have their own pups

2）中科院動物研究所突破哺乳動物同性生殖障礙

3）Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions

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