科學家首創孤雄小鼠震驚世界:難道生育從此告別兩性

　　來源：我是科學家iScientist

　　就在前不久，兩隻剛出生的小鼠突然成名網路——不是因為它們太可愛了，而是因為它們是世界上首例由兩隻雄性產生的哺乳動物幼崽。

　　不了解的人大概會問：這有啥稀奇的？同性繁殖在動物界不也很常見嘛！小強（蟑螂）不是沒有雄性也能繁殖？一些兩棲動物和魚類還能自由切換爹媽角色呢……

　　確實，很多動物都有同性繁殖的現象，但對於哺乳動物而言，這還真不是個簡單事兒——迄今為止，沒有任何哺乳動物能在自然情況下實現同性間繁殖後代。

　　而早在上世紀七八十年代，就有科學家偏偏不信這個邪，他們一定要看看把兩個哺乳動物精子或兩個卵子合在一起會發生點啥——結果這些同性胚胎頭幾天好像還在正常發育，但是發育到一定程度，就會出現一道迷之結界，使它們紛紛「胎死腹中」。

　　這樣的現象讓科學家們大為不解，也深感興奮！為啥哺乳動物就這麼特殊？嗯，我們一定要搞清楚……

　　印記基因：阻止同性生育的分子壁障

　　一位來自南斯拉夫的科學家達沃爾·索特（Davor Solter），在1988年首次找到了這個問題的答案，也因此榮獲了今年的蓋爾德納國際獎。他發現，是一種叫做「印記基因」的存在，為哺乳動物同性生育架設了高高的壁壘。

　　達沃爾·索特（Davor Solter），印記基因的發現者。圖：ie-freiburg.mpg.de/solter-gairdner2018

　　那麼，哺乳動物為什麼要有這樣的「壁壘」呢？還不是因為娃難帶嘛……

　　其他動物生了娃（蛋）大多不是拍拍屁股走了就是雌雄一起撫養孩子，但哺乳動物的幼崽就麻煩多了——胚胎時期懷在肚子里要吸收營養，出生了還要繼續靠吃奶來吸收營養，關鍵是，這些營養全部由雌性一方承包，雄性在這個過程中卻大多僅需要貢獻一點精子。這種巨大的育兒投入上的差異促使哺乳動物的兩性採取了截然不同的繁殖策略。

　　對於雌性來說，生養大胖小子無疑會大量損耗自身精力，所以它們採取了「留得青山在，不怕生二胎」的策略——對卵子當中的基因動一系列的手腳，增強那些能夠阻滯胚胎髮育的基因，同時抑制那些能夠促進胚胎髮育的基因，儘力讓孩子發育得相對瘦弱一些。

　　然而對於雄性來說，孩子長得壯壯的以後才能挨得起餓扛得了揍，對於是否好生養似乎不是特別關心。所以雄性也會對精子當中的基因做一系列相反的手腳，拚命去促進胚胎髮育。

　　於是，一邊是雌性希望幼崽變弱變小變萌，另一邊是雄性希望幼崽變大變壯變強……經過一億多年這樣的兩性鬥爭，哺乳動物卵子和精子中的基因都被矯枉過正到了非常極端的地步，這反而讓精子和卵子的兩套染色體誰也離不開誰了——因為一旦這個平衡被打破，無論偏向雌雄哪方都會導致胚胎髮育嚴重失調，這就是那道同性發育結界的本質（誠可謂是相愛相殺）。

父母對生娃的想法都不統一，娃還能說什麼……

　　這些在哺乳動物雌雄雙方博弈中被動過手腳的基因，就像是雙方分別在自己配子基因組中打上的「性別印記」，因此被稱為「印記基因」[1]。

　　孤雌生殖：逆天改命輝夜姬

　　不過，索特老爺子僅僅是發現了「印記基因」，並沒有徹底弄清楚這些「印記」是怎麼打上去的，也不知道如何能解開哺乳動物同性繁殖的「封印」。

　　於是，接下來的問題又吸引了一大群科學家前仆後繼一一其中特別值得一提的是東京農業大學的友廣川野（Tomohiro Kono）教授。

　　友廣川野（Tomohiro Kono），第一隻孤雌小鼠的創造者。圖片來源：東京農業大學官網

　　友廣川野早年曾長期研究克隆技術，並逐漸對胚胎髮育過程中印記基因的變化產生了興趣。友廣發現，兩性給基因打上「印記」其實是一個跨越整個性成熟過程的漫長工作。

　　那麼反推過來，動物剛剛出生的時候，就必定有大量的印記基因還沒來得及打上「性別印記」，而這時候動物體內尚未發育成熟的卵子其實正處在一個非常接近「性別中性」的狀態[2]。

　　由此，友廣有了一個大膽的想法——如果利用這種「性別中性」的卵子，是不是就能實現哺乳動物的「孤雌生殖」了呢？

這個主意好！

　　不過事實證明，哺乳動物的發育還是比較複雜，不是說「性別中性」了就能隨意結合。經過大量的摸索，友廣設計出了一套「雄性化」小鼠卵子的方法。

　　如何「雄性化」呢？

　　首先，友廣培育出了一種經過基因改造的母鼠，它們被人為刪除了一個最強力的雌性印記基因和一些基因元件，使之轉而表達一個強力的雄性印記基因。

　　他從這種「雄性化」鼠的幼鼠卵巢里取出不成熟的、還沒打上太多「性別印記」的卵子A，然後用一個去掉核的正常小鼠卵子B將其「催熟」，於是，一枚表達類似雄性印記基因的卵子就誕生了。

　　2004年，他將這些「雄性化」卵子AB和普通的卵子C相融合，終於得到了人類歷史上第一隻「孤雌生殖」產生的小鼠[3]。

　　這隻創造歷史的小鼠被命名為「輝夜姬」。輝夜姬是日本小說《竹取物語》中一位誕生在竹子里的公主，恰如友廣的小鼠一樣，沒有生物學意義上的父親。

日本小說《竹取物語》中一位誕生在竹子里的公主輝夜姬。圖片來源：douban

史上第一隻孤雌小鼠「輝夜姬」以及它生的孩子。圖片來源：參考資料3

　　之後，友廣又不斷改進他的方案，最終在2007年用一套刪除兩個印記基因的方案將「孤雌小鼠」的存活率提高到了15%左右[4]。

孤雌小鼠從此不是稀罕貨。圖片來源：參考文獻[4]

　　這些「孤雌小鼠」雖然在理論上大大拓展了人類對於印記基因的理解，但是「雄性化」卵子需要異常繁瑣的實驗操作——既要製作基因改造的母鼠，又要從初生幼鼠那比針眼還小的卵巢里取卵，想想都不是個輕鬆活兒。

　　那麼，有沒有什麼更容易的辦法來獲得沒有「印跡」的配子呢？

　　單倍體胚胎幹細胞：柳暗花明又一村

　　說起來，這個難題的解決竟然和一種腫瘤相關。

　　這種腫瘤叫做卵巢畸胎瘤，它是由個別自以為受精的卵子發育成的胚胎異變而成。雖然這種胚胎長得不正常，但是裡面也含有胚胎幹細胞，它們被稱為「孤雌胚胎幹細胞」。

　　2011年，奧地利科學家約瑟夫·彭寧格（Josef M。 Penninger）[5]與英國科學家安東·武茲（Anton Wutz）[6]幾乎同時獨立發現，有一些孤雌胚胎幹細胞當中的遺傳物質和卵子一樣保持著單倍體的狀態，而且利用一些特殊的培養方法，這種單倍體的狀態是可以長期保持的。這樣的細胞就是後來對哺乳動物同性繁殖意義重大的「孤雌單倍體胚胎幹細胞」。

　　約瑟夫·彭寧格（Josef M。 Penninger，左）與安東·武茲（Anton Wutz，右）兩人幾乎同時發現了小鼠孤雌單倍體胚胎幹細胞。圖片來源：wikimedia commons&ETH官網

建立孤雌胚胎幹細胞系的一種流程。圖片來源：Wei Li et al。 （2014） Cell Stem Cell 編譯：鬼谷藏龍

　　在之後的研究中，人們發現，這些孤雌單倍體胚胎幹細胞的「印記狀態」和卵子幾乎一模一樣。但是這些「印跡」會隨著體外培養而逐漸丟失，最終退化到一種類似於幼鼠卵子那樣「性別微弱」的狀態。

　　2015年，上海生化細胞所的李勁松研究員的團隊，將友廣方案中的雄性化幼鼠卵子換成了小鼠孤雌單倍體胚胎幹細胞，果然也一樣可以生出「輝夜姬」那樣的孤雌小鼠[9]。

只有母親，沒有父親的小鼠發育一切正常，自己也成功產下了後代（圖片來源：Leyun Wang，中國科學院動物研究所）

　　眼看著小鼠的孤雌生殖技術平步青雲，人們不由發問，既然孤「雌」有了，「孤雄」哺乳動物啥時候出生呢？

　　雙雄爭孤雄

　　當然了，之前並不是沒人想過去實現哺乳動物的「孤雄繁殖」，只是「孤雄」比「孤雌」更難做到。雌性天生有卵子，所以能在出生後就獲取，而雄性只有性成熟後才會產生精子（此時均為打上「印記」的精子了），所以不能複製友廣在雌鼠上的操作方案。

　　而這個「巧婦難為無米之炊」的難題，在單倍體胚胎幹細胞被發現之後才有了新的進展——當彭寧格與武茲的成果剛一公布，李勁松的研究團隊就馬上想到，既然有辦法讓卵子直接發育產生成孤雌單倍體胚胎幹細胞，那麼如果我把卵細胞核去掉後往裡面放一枚精子，不就能拿到孤雄單倍體胚胎幹細胞了么？

　　通過向去核卵細胞注入精子來建立孤雄胚胎幹細胞系。圖片來源：參考資料7，鬼谷藏龍編譯

　　不過與此同時，另一個實驗室也想到了這一點，那就是中國北京動物所的周琪實驗室。

　　李勁松和周琪的課題組，研究方向大同小異，在業界也可謂一時瑜亮，遇到這個炙手可熱的項目後，兩組人馬幾乎是在同一時間用完全相同的思路開啟了完全相同的課題。

　　在這一輪較量中先拔頭籌的是李勁松實驗室，他們僅僅用了半年就率先制出了小鼠孤雄單倍體胚胎幹細胞[7]，周琪實驗室則過了幾個月才迎頭趕上[8]。

李勁松（左）與周琪（右）都是國內最頂尖的胚胎幹細胞專家之一。圖片來源：生化細胞所與動物所官網

　　不出所料，這些孤雄單倍體胚胎幹細胞保持著精子的「印跡」，在合適的條件下，孤雄單倍體胚胎幹細胞完全可以像精子那樣，讓卵子受精並正常發育[7，8]。而且，和之前的孤雌單倍體的情況一樣，孤雄單倍體胚胎幹細胞在培養一段時間後，其「雄性印記」也會逐漸退化，使其變成「微弱的」雄性。

　　孤雄單倍體胚胎幹細胞可以像精子一樣給卵子受精，產生後代。圖片來源：參考資料7，鬼谷藏龍編譯

　　周琪實驗室已然連敗兩局，唯一扳回一城的希望就是在孤雄小鼠上面搶得先機了。

　　孤雄小鼠：近在咫尺尚未及

　　如果說孤雌小鼠好歹還有友廣川野的先例可以參考，那麼孤雄小鼠就是純粹的從頭摸索了。

　　理論上來說，將孤雌小鼠的方案「反過來」，刪掉孤雄單倍體胚胎幹細胞裡面的一些雄性印記基因，使之「雌性化」，然後將這樣的細胞和精子一起注射到去核的卵子當中，應該就能生出孤雄小鼠來了。話雖沒錯，但實際操作起來往往就是另一回事了。

　　在之前的研究中，研究人員都發現，孤雌小鼠畢竟其「雄性印記」比較弱勢，所以經常會出現發育遲緩、體型瘦小等問題，與此同時，這些小鼠會意外的長壽。

發育不良（右側兩隻）是孤雌小鼠經常遇到的問題。圖片來源：參考文獻[3]

　　周琪的研究團隊首先想要試試看能不能解決這個問題，這樣也好給未來製作孤雄小鼠積攢一些技術經驗。他們在友廣刪除兩個印記基因的方案基礎上設計了一種刪除三個印記基因的策略，終於得到了比較正常孤雌小鼠[10]。

　　那麼，獲取孤雄小鼠又需要刪除幾個印記基因呢？周琪團隊發現，刪除了六個印記基因後，移植到代孕母親子宮內的胚胎中也只有1.2%的孤雄小鼠能夠發育到足月，且生出來的只是一個外形極不正常的畸形死胎。

　　與孤雌小鼠恰好相反，孤雄小鼠幼崽表現出了一系列發育過度的問題——有的小鼠腫脹成了一個肉球，有的內臟跑到了體外，還有一些則在胚胎時期就睜開了眼睛（因為眼球過大把眼皮給「撐」開了）。

孤雄小鼠遭遇的首要問題就是發育過度，圖中右邊兩隻就是長成了「肉球」的孤雄小鼠。圖片來源：參考文獻[10]

　　最後，周琪的團隊刪除了七個印記基因，才終於讓孤雄單倍體胚胎幹細胞變得足夠「雌性化」，產生形態上比較正常的小鼠。它們所製作並植入代孕母鼠子宮的477個孤雄胚胎中，有12個活到了出生，不過其中大多數都有嚴重的浮腫，出生後不久便撒手鼠寰。只有兩隻表面上看不出什麼問題的孤雄小鼠堅持活了48小時以上。而這，就是目前所能做到的極限了。

刪除7個印記基因後，周琪團隊終於得到了外貌比較正常的孤雄小鼠（右側是它的胎盤）。圖片來源：參考文獻[10]

　　孤雄小鼠被創造出來了嗎？嚴格來說，並沒有。周琪的工作，最多只是在理論上證明了孤雄小鼠的可能性。按照正常的操作，只有當孤雄小鼠能夠長到成年併產生自己後代，才能算真正意義上實現「孤雄繁殖」。但無疑，周琪的團隊目前獲得的成果，肯定也已經嘗試過很多印記基因的修改方案，傾其所能了。

造出只有父親，沒有母親的小鼠，可以說是一個突破。圖片來源：Leyun Wang，中國科學院動物研究所

　　說來也巧，筆者在四年前的這時候，寫的第一篇科普文章恰好就是講小鼠孤雄單倍體胚胎幹細胞（詳情點擊文末閱讀原文查看），那個時候小鼠孤雄單倍體胚胎幹細胞剛發現不久，技術上還非常青澀，幾乎沒什麼人想到以後它可以做出「孤雄小鼠」來。

　　然後短短几年間，看著無數的科學家「你一針我一線」，把這個技術逐漸編織完整，也不由感嘆——他們當中沒有誰是帶著要一鳴驚人改變世界的念頭去做研究，許多奇蹟就這樣從不經意的萌芽中「長」了出來，而且未來還會繼續開花結果。

　　說到這裡，人類迄今為止在探索哺乳動物同性生育的故事就基本講完了，然而作為人類科學史冊的一部分，這個故事註定還會有新的篇章。

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