為什么哺乳動(dòng)物有性別-打破生殖的性別限制-中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的同性生殖

為什么哺乳動(dòng)物有性別打破生殖的性別限制:中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的同性生殖

研究中誕生的孤雄小鼠。（圖片來(lái)源：研究團(tuán)隊(duì)）

在動(dòng)物界，兩只雌性產(chǎn)下后代的情況并不稀奇。然而，由于印記基因的存在，這種名為孤雌生殖的現(xiàn)象在自然情況下的哺乳動(dòng)物中從未出現(xiàn)，而孤雄生殖更是不可能出現(xiàn)。在最新的（CellStemCell）期刊上，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所的研究團(tuán)隊(duì)利用干細(xì)胞和基因編輯手段，分別獲得了僅由雌性及雄性親本生育的小鼠。值得一提的是，其中存活的孤雄小鼠屬于世界首例。

文章的三位通訊作者李偉、周琪、胡寶洋（從左至右），三位研究員均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所。

奇特的生殖方式

生物學(xué)上將卵細(xì)胞不經(jīng)過(guò)受精發(fā)育成正常個(gè)體的過(guò)程，稱作孤雌生殖（parthenogenesis）或雌核生殖（gynogenesis）。（兩者差異見(jiàn)下圖）這種生殖方式在動(dòng)物界并不罕見(jiàn)，即使是在脊椎動(dòng)物中，爬行動(dòng)物、魚(yú)類和兩棲動(dòng)物都存在此類生殖方式，然而唯獨(dú)哺乳動(dòng)物沒(méi)有。20世紀(jì)80年代，有科學(xué)家通過(guò)小鼠試驗(yàn)找出了原因。他們提出，小鼠的生長(zhǎng)發(fā)育需要來(lái)自父系和母系的基因，同時(shí)父源和母源染色體同一位置的等位基因存在差異，因此兩性生殖在哺乳動(dòng)物中非常關(guān)鍵。

左側(cè)為孤雌生殖；右側(cè)為雌核生殖，它需要精子來(lái)激活卵細(xì)胞發(fā)育，但是精子DNA并不參與融合新個(gè)體基因組。兩者都是依靠一個(gè)二倍體卵細(xì)胞發(fā)育成個(gè)體。圖：Unisexualreproductionamongvertebrates

從遺傳學(xué)角度來(lái)說(shuō)，在哺乳動(dòng)物個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，這種雙親基因的差異很重要。單親源二體（uniparentaldisomy，UPD）是一種表觀遺傳疾病，即來(lái)自父母一方的染色體片段被另一方的同源片段取代，或一個(gè)個(gè)體的兩條同源染色體都來(lái)自同一親體。這種情況會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的胚胎缺陷甚至致死。通過(guò)后續(xù)研究，科學(xué)家找到了這種父母染色體部分基因表達(dá)差異的原因印記基因（imprintedgene）。

印記基因最早于上世紀(jì)90年代被報(bào)道，迄今為止，在哺乳動(dòng)物中有文獻(xiàn)報(bào)道的印記基因已有大約100種。它是一個(gè)經(jīng)典的表觀遺傳現(xiàn)象，是指子代中某些特殊位點(diǎn)的基因僅表達(dá)來(lái)自父源或母源的等位基因，而對(duì)應(yīng)的另一個(gè)等位基因不表達(dá)。父源與母源的印記基因往往需要相互協(xié)作從而在胚胎發(fā)育中發(fā)揮作用。因此，哺乳動(dòng)物想要通過(guò)同性來(lái)生殖個(gè)體非常困難。

同性哺乳動(dòng)物后代的誕生

早在20XX年，東京大學(xué)Kono實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了一枚特殊的小鼠卵母細(xì)胞，這個(gè)細(xì)胞的基因組分別來(lái)自兩只雌性小鼠。敲除H19印記基因后，研究者利用該細(xì)胞培育得到了成熟的純母源基因小鼠個(gè)體，即孤雌小鼠。周琪研究員表示，這個(gè)孤雌小鼠有許多生理缺陷，并且技術(shù)本身實(shí)用性很低。目前世界上也還未有成功獲得新生孤雄小鼠的先例。

我們對(duì)哺乳動(dòng)物只能通過(guò)不同性別交合繁殖這個(gè)問(wèn)題很感興趣。我們也希望利用兩只雌鼠獲得更正常的小鼠，甚至用兩只雄鼠產(chǎn)生后代。這也許可以通過(guò)對(duì)單倍體胚胎干細(xì)胞（haESCs）進(jìn)行基因編輯實(shí)現(xiàn)。

周琪表示。

目前科學(xué)界已經(jīng)利用haESCs成功地培育了小鼠、大鼠、猴子和人類胚胎，這是一種進(jìn)行基因篩選并產(chǎn)生新個(gè)體的新手段。在此之前研究團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)利用刪除了H19和Dlk-Dio2印記基因的雌性haESCs，獲得了具有雙性親本基因的新生小鼠。

采用haESCs最大的優(yōu)點(diǎn)是，其印記基因相對(duì)于其他細(xì)胞來(lái)說(shuō)更少，因此可以最大限度地降低雙親特殊位點(diǎn)基因的表達(dá)，有助于同性別基因后代的產(chǎn)生。胡寶洋表示：我們發(fā)現(xiàn)這種單倍體胚胎干細(xì)胞就類似一種初生的胚胎細(xì)胞，即卵細(xì)胞和精子的前體細(xì)胞，印記基因在其中似乎被移除了。

同性培育的新突破

在這項(xiàng)發(fā)表于期刊的最新研究中，中科院動(dòng)物研究所的科學(xué)家就利用haESCs，成功培育出孤雌小鼠和孤雄小鼠。

以孤雌小鼠為例，研究團(tuán)隊(duì)首先提取了雌性haESCs的細(xì)胞基因組，并通過(guò)基因編輯手段刪除3個(gè)印記基因。隨后，他們將編輯后的基因組全部注射至另一個(gè)雌性個(gè)體的次級(jí)卵母細(xì)胞中，這時(shí)兩個(gè)只有一半雌性來(lái)源染色體的細(xì)胞，合并成只含雌性基因的新個(gè)體。通過(guò)該方法，研究團(tuán)隊(duì)從210個(gè)胚胎中獲得了29只新生的小鼠，這些小鼠發(fā)育正常，甚至最后還能生育后代。

研究中誕生的孤雌小鼠和它們的母親。（圖片來(lái)源：研究團(tuán)隊(duì)）

孤雄生殖的小鼠的誕生就沒(méi)那么容易了。僅僅是需要?jiǎng)h除的印記基因，就是雌性的兩倍還多。其培育方式也更加復(fù)雜，由于基因組分別來(lái)自雄性haESCs和一個(gè)精子，之后還需要將它們注射至一個(gè)去核的卵母細(xì)胞中，并放置在雌性代孕個(gè)體中進(jìn)行發(fā)育。

研究人員最初只刪除了6個(gè)印記基因，但是這種胚胎存在很大的發(fā)育問(wèn)題，大約在胚胎期天就無(wú)法繼續(xù)生長(zhǎng)；盡管研究團(tuán)隊(duì)也嘗試?yán)闷渌绞竭M(jìn)行彌補(bǔ)，新生小鼠仍然存在極大的生理缺陷，并且在出生不久后死亡；通過(guò)這些缺陷小鼠與正常小鼠之間的比較，研究人員發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)很重要的印記基因：Gnas。

具有生理缺陷的孤雄小鼠

刪除Gnas及此前的6個(gè)印記基因后，在477個(gè)胚胎中，12只活著的孤雄小鼠誕生了，這也是世界上首次誕生只有兩個(gè)父親親本的正常小鼠個(gè)體。遺憾的是，這12只小鼠的生理缺陷雖然在很大程度上得到減輕，但是仍然沒(méi)能成活到成年階段。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，在這些孤雄小鼠中還伴隨了一些其他印記基因的差異表達(dá)，這有可能是孤雄小鼠在早期就死亡的原因。

李偉研究員指出，利用這種技術(shù)來(lái)獲得其他的同性哺乳動(dòng)物后代還有一定困難，因?yàn)槊總€(gè)物種的印記基因表達(dá)都是獨(dú)特的，并且要如何保證后代沒(méi)有缺陷還需要大量研究。

這項(xiàng)研究讓我們看到了同性哺乳動(dòng)物產(chǎn)生后代是有可能的，他表示，通過(guò)對(duì)印記基因的修飾，我們可以獲得完全健康的孤雌小鼠，并且孤雄小鼠的生殖困難也得以克服。這些新發(fā)現(xiàn)的印記基因，對(duì)于未來(lái)研究動(dòng)物克隆都有重要意義。

參考資料：

[1]Zhi-KunLi,Le-YunWangetal.(20XX)GenerationofUniparentalMicefromHypomethylatedHaploidESCswithImprintingRegionDeletions.CellStemCell23,112

[2]Neaves,,andBaumann,P.(20XX).Unisexualreproductionamongvertebrates.TrendsGenet.27,8188.

[3]Kono,T.,