中国科学家利用新基因技术实现小鼠无性繁殖

今日，诸多科技媒体被一条突破性进展刷屏——来自中国科学院动物研究所的李伟课题组、周琪课题组、以及胡宝洋课题组联合发表的一项研究表明，利用干细胞技术与基因编辑技术，我们能造出双亲都是同一性别的小鼠！也就是说，这些小鼠要么有两名母亲，却没有父亲；要么有两名父亲，却没有母亲。

这项重磅研究，今日在线刊登在了《细胞》子刊《细胞-干细胞》上。

本研究的三位通讯作者李伟研究员、周琪研究员、以及胡宝洋研究员（图片来源：中国科学院动物研究所）

不需另一半也能繁衍后代？

男女结合才能生儿育女，这对于人类来说似乎是颠扑不破的真理。但倘若我们把目光投向整个动物界，就能发现“性别不同的两个个体”，并不是繁衍后代的必要条件。对于许多爬行动物、两栖动物、乃至鱼类来说，只靠自己，就能产下诸多后代。

举例来说，在2010年，科学家们发现一条雌性红尾蚺蛇（Boa constrictor）通过无性繁殖，生下了22条小蛇。后续的染色体分析确认，这些后代的诞生，的确没有依赖雄性的参与（雄蛇的染色体为ZZ型，雌蛇的染色体为ZW型，而无性繁殖产生的后代染色体均为罕见的WW型）。对此，科学家们除了大呼神奇之外，并不理解背后的生物学机理。

高等动物能无性繁殖吗？

既然爬行动物能够无性繁殖，哺乳动物能不能也做到呢？很遗憾，在自然条件下，这看起来是一个不可能完成的任务。其中的原因，在于一种叫做“基因组印记”（genomic imprinting）的现象。这是指由父亲或母亲提供的基因，有一些会被“关闭”，失去活性。只有来自父母双方的基因凑在一起，才能产生互补，让后代正常发育。

举个例子，人类中有一条叫做IGF2的基因，对于发育和生长起到了至关重要的作用。但有趣的是，只有来自父亲的IGF2基因才具有活性。尽管母亲提供的IGF2基因从DNA序列上看，可以和父亲的基因一模一样，但它们就是会被关闭，无法产生作用。同样的，也有一些基因只有靠母亲遗传，才能发挥功能。

这就解释了为啥自然环境中，哺乳动物的诞生需要父母双方的参与——如果只有父亲或母亲提供遗传物质，势必会有一些基因无法顺利表达，造成缺陷，影响胚胎发育。

“辉夜姬”的诞生

如果我们能改变“基因组印记”，让来自母亲的基因看起来和父亲的基因一样，不就能造出只有母亲，没有父亲的小鼠了吗？利用这个方法，一支日本团队在2004年率先取得了成功——他们造出的一只小鼠有两位母亲，却没有父亲。科学家们把这只小鼠命名为“辉夜姬”，这是日本神话中诞生于竹子的婴儿。这只小鼠顺利活到了成年，并和其他小鼠正常繁衍，产下了后代。

“但这只小鼠依旧存在一些缺陷，而且其方法难以应用，非常不实际。” 周琪研究员说道。

这的确是一个事实。为了“辉夜姬”的顺利诞生，日本团队一共制造出了460个小鼠胚胎，只有10只顺利出生，更只有1只活到了成年。显然，这项技术还有很大的提升空间。

中国科学家的突破

而这正是中国科学家的突破所在。这支团队发现，单倍体胚胎干细胞（haploid embryonic stem cells）带有更少的“基因组印记”。“我们发现单倍体胚胎干细胞更接近于原始生殖细胞，这是卵子和精子的前体，” 胡宝洋研究员说道：“在配子（卵子和精子）中发现的‘基因组印记’被‘抹除’了。”

本研究的图示

在来自雌性小鼠的单倍体胚胎干细胞中，科学家们利用先进的基因编辑工具CRISPR-Cas9系统，额外移除了3个“基因组印记”的重灾区。这样一来，这些干细胞里的遗传物质，就能保持较好的基因表达活性。

随后，科学家们将这些干细胞的遗传物质注射到了处于M2期的卵母细胞中，诱导胚胎的发育与形成。用这种方法生出的小鼠，体内就带有两个母亲的遗传物质。研究人员们最终制造了210个胚胎，其中29只小鼠顺利诞生，不少顺利生长到了成年，并生下了自己的后代。可见，这项技术的成功比例要来得更高。

只有母亲，没有父亲的小鼠发育一切正常，自己也成功产下了后代（图片来源：Leyun Wang，中国科学院动物研究所）

如果说制造“只有母亲，没有父亲”的小鼠已经够复杂了，那制造“只有父亲，没有母亲”的小鼠则还要复杂……

利用类似的方法，科学家们在雄性小鼠的单倍体干细胞中，移除的“基因组印记”重灾区高达7处。随后，他们将这些遗传物质与另一只雄性小鼠的精子一块，注射到了一个没有细胞核的卵子中。随后，这个细胞会在代孕小鼠的体内发育成胚胎，生出新的小鼠，它们只带有两名父亲的遗传信息。

造出只有父亲，没有母亲的小鼠，可以说是一个突破（图片来源：Leyun Wang，中国科学院动物研究所）

这个方法要难多了。在477个胚胎中，只有12只小鼠成功诞生。其中，10只小鼠在出生2天后死亡。剩下的2只小鼠，也没有活到成年。后续研究发现，即便经历了如此多的基因编辑，依然有一些基因没有成功表达。这或许是“只有父亲，没有母亲”的小鼠为何早夭的原因。

总结

诸多生物学家指出，这项突破性的研究，再次证明“基因组印记”，正是阻碍哺乳动物单性繁殖的原因。而即便是大规模的基因组改造，都无法彻底消除这些印记。这也指明了科学未来的前进方向。

“这项研究揭示了各种可能性，”李伟研究员评论道：“我们看到只有两名母亲的小鼠，其缺陷能够被消除。我们也看到通过修饰‘基因组印记’，能克服只有两名父亲的生殖障碍。我们还揭示了阻碍小鼠单性繁殖的重要印记区域，这对于研究‘基因组印记’和动物克隆都有意义。”

需要注意的是，这项研究距离人体应用还远得很。暂且不提小鼠体系中的种种技术难关，即便我们能高效造出单性繁殖的小鼠，从小鼠到人类的转化，也依旧有着技术、伦理、以及法律上的挑战。这一切，需要科学家、生物伦理学家、以及法律专家共同解决。