打破生殖的性别限制:中国科学家实现哺乳动物的同性生殖

杨心舟 环球科学ScientificAmerican 2018-10-12

研究中诞生的孤雄小鼠。(图片来源:研究团队)


在动物界,两只雌性产下后代的情况并不稀奇。然而,由于印记基因的存在,这种名为孤雌生殖的现象在自然情况下的哺乳动物中从未出现,而孤雄生殖更是不可能出现。在最新的《细胞·干细胞》(Cell stem cell)期刊上,来自中国科学院动物研究所的研究团队利用干细胞和基因编辑手段,分别获得了仅由雌性及雄性亲本生育的小鼠。值得一提的是,其中存活的孤雄小鼠属于世界首例。


撰文 | 杨心舟

编辑 | 吴非


文章的三位通讯作者李伟、周琪、胡宝洋(从左至右),三位研究员均来自中国科学院动物研究所。



奇特的生殖方式


生物学上将卵细胞不经过受精发育成正常个体的过程,称作孤雌生殖(parthenogenesis)或雌核生殖(gynogenesis)。(两者差异见下图)这种生殖方式在动物界并不罕见,即使是在脊椎动物中,爬行动物、鱼类和两栖动物都存在此类生殖方式,然而唯独哺乳动物没有。20世纪80年代,有科学家通过小鼠试验找出了原因。他们提出,小鼠的生长发育需要来自父系和母系的基因,同时父源和母源染色体同一位置的等位基因存在差异,因此两性生殖在哺乳动物中非常关键。


左侧为孤雌生殖;右侧为雌核生殖,它需要精子来激活卵细胞发育,但是精子DNA并不参与融合新个体基因组。两者都是依靠一个二倍体卵细胞发育成个体。图:Unisexual reproduction among vertebrates


从遗传学角度来说,在哺乳动物个体发育过程中,这种双亲基因的差异很重要。单亲源二体(uniparental disomy,UPD)是一种表观遗传疾病,即来自父母一方的染色体片段被另一方的同源片段取代,或一个个体的两条同源染色体都来自同一亲体。这种情况会导致严重的胚胎缺陷甚至致死。通过后续研究,科学家找到了这种父母染色体部分基因表达差异的原因——印记基因(imprinted gene)。


印记基因最早于上世纪90年代被报道,迄今为止,在哺乳动物中有文献报道的印记基因已有大约100种。它是一个经典的表观遗传现象,是指子代中某些特殊位点的基因仅表达来自父源或母源的等位基因,而对应的另一个等位基因不表达。父源与母源的印记基因往往需要相互协作从而在胚胎发育中发挥作用。因此,哺乳动物想要通过同性来生殖个体非常困难。



同性哺乳动物后代的诞生


早在2004年,东京大学Kono实验室构建了一枚特殊的小鼠卵母细胞,这个细胞的基因组分别来自两只雌性小鼠。敲除H19印记基因后,研究者利用该细胞培育得到了成熟的纯母源基因小鼠个体,即孤雌小鼠。周琪研究员表示,这个孤雌小鼠有许多生理缺陷,并且技术本身实用性很低。目前世界上也还未有成功获得新生孤雄小鼠的先例。


“我们对哺乳动物只能通过不同性别交合繁殖这个问题很感兴趣。我们也希望利用两只雌鼠获得更正常的小鼠,甚至用两只雄鼠产生后代。这也许可以通过对单倍体胚胎干细胞(haESCs)进行基因编辑实现。”周琪表示。


目前科学界已经利用haESCs成功地培育了小鼠、大鼠、猴子和人类胚胎,这是一种进行基因筛选并产生新个体的新手段。在此之前研究团队就已经利用删除了H19和Dlk-Dio2印记基因的雌性haESCs,获得了具有双性亲本基因的新生小鼠。


采用haESCs最大的优点是,其印记基因相对于其他细胞来说更少,因此可以最大限度地降低双亲特殊位点基因的表达,有助于同性别基因后代的产生。胡宝洋表示:“我们发现这种单倍体胚胎干细胞就类似一种初生的胚胎细胞,即卵细胞和精子的前体细胞,印记基因在其中似乎被‘移除’了。”



同性培育的新突破


在这项发表于《细胞·干细胞》期刊的最新研究中,中科院动物研究所的科学家就利用haESCs,成功培育出孤雌小鼠和孤雄小鼠。


以孤雌小鼠为例,研究团队首先提取了雌性haESCs的细胞基因组,并通过基因编辑手段删除3个印记基因。随后,他们将编辑后的基因组全部注射至另一个雌性个体的次级卵母细胞中,这时两个只有一半雌性来源染色体的细胞,合并成只含雌性基因的新个体。通过该方法,研究团队从210个胚胎中获得了29只新生的小鼠,这些小鼠发育正常,甚至最后还能生育后代。


研究中诞生的孤雌小鼠和它们的母亲。(图片来源:研究团队)


孤雄生殖的小鼠的诞生就没那么容易了。仅仅是需要删除的印记基因,就是雌性的两倍还多。其培育方式也更加复杂,由于基因组分别来自雄性haESCs和一个精子,之后还需要将它们注射至一个去核的卵母细胞中,并放置在雌性代孕个体中进行发育。



研究人员最初只删除了6个印记基因,但是这种胚胎存在很大的发育问题,大约在胚胎期10.5天就无法继续生长;尽管研究团队也尝试利用其他方式进行弥补,新生小鼠仍然存在极大的生理缺陷,并且在出生不久后死亡;通过这些缺陷小鼠与正常小鼠之间的比较,研究人员发现了另一个很重要的印记基因:Gnas


具有生理缺陷的孤雄小鼠


删除Gnas及此前的6个印记基因后,在477个胚胎中,12只活着的孤雄小鼠诞生了,这也是世界上首次诞生只有两个父亲亲本的正常小鼠个体。遗憾的是,这12只小鼠的生理缺陷虽然在很大程度上得到减轻,但是仍然没能成活到成年阶段。后续研究发现,在这些孤雄小鼠中还伴随了一些其他印记基因的差异表达,这有可能是孤雄小鼠在早期就死亡的原因。


李伟研究员指出,利用这种技术来获得其他的同性哺乳动物后代还有一定困难,因为每个物种的印记基因表达都是独特的,并且要如何保证后代没有缺陷还需要大量研究。“这项研究让我们看到了同性哺乳动物产生后代是有可能的,”他表示,“通过对印记基因的修饰,我们可以获得完全健康的孤雌小鼠,并且孤雄小鼠的生殖困难也得以克服。这些新发现的印记基因,对于未来研究动物克隆都有重要意义。”


参考资料:

[1] Zhi-Kun Li, Le-Yun Wang et al. (2018) Generation of Uniparental Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions. Cell Stem Cell 23, 1–12

[2]Neaves, W.B., and Baumann, P. (2011). Unisexual reproduction among vertebrates. Trends Genet. 27, 81–88.

[3]Kono, T., Obata, YJ et al .(2004). Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood. Nature 428, 860–864.

[4] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-10/cp-mpw100418.php



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