小鼠產(chǎn)仔不需“男方”，原來有“姊妹”幫忙

這兩天，中國科學(xué)家團隊的一項最新成果頗具熱度：他們用單個未受精卵細胞，培育出健康的小鼠，且可存活至成年，還有了自己的后代。

這項成果由上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院副研究員魏延昌等人完成，論文發(fā)表在3月7日的美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

但在眾多媒體報道中，科學(xué)家們通過對單個卵細胞進行基因編輯等進行操作，就直接可以出生存活的小鼠。

這似乎違反了常識，因為哺乳動物卵子是通過減數(shù)分裂，其染色體數(shù)目只有體細胞的一半，而存活的哺乳動物應(yīng)該是二倍體個體。

實際上，這是對成果的誤讀。那么，小鼠產(chǎn)仔“不用爸”，背后究竟藏著什么玄機？《中國科學(xué)報》采訪了中國科學(xué)院院士、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)部委員黃荷鳳。

來自“姊妹”的助攻

眾所周知，包括人類在內(nèi)的哺乳動物都是有性繁殖，雌雄兩種生殖細胞缺一不可；自然界中只有一些低等生物如蚜蟲、蜜蜂、少數(shù)鳥類和爬行動物可以通過孤雌生殖（即單性生殖）繁衍后代。

哺乳動物為啥不能孤雌生殖呢？最大阻礙來自于“基因組印記”，哺乳動物的精子與卵子結(jié)合產(chǎn)生后代的過程中，有的基因表達只能來自父本，有的只能來自母本，只有“父母雙全”才能產(chǎn)下健康后代。

但在實驗室中，科學(xué)家們陸續(xù)實現(xiàn)了用同性生殖細胞的結(jié)合產(chǎn)生后代。

他們所采用的方法，就是改變這種“印記”、使生殖細胞在基因?qū)用?ldquo;變性”。

在魏延昌等人的研究中，他們使生殖細胞在基因?qū)用?ldquo;變性”的工具是基因編輯技術(shù)。

具體來講，他們應(yīng)用CRISPR -dCas9基因編輯技術(shù)，對小鼠卵母細胞的7個甲基化印記控制區(qū)域進行DNA甲基化重寫后，在胞漿中注入另一個卵子的極體，創(chuàng)造了孤雌生殖誕生且可存活至成年的小鼠。

近日有報道稱：“魏延昌研究團隊使用單個未受精卵子產(chǎn)生了可存活個體”，讓不少人誤解成只需編輯一個卵子就直接可以出生存活的小鼠。

孤雌生殖小鼠及其后代    圖片來源：論文截圖

但這顯然不符合常識：哺乳動物卵細胞染色體數(shù)目只有體細胞的一半，而存活的哺乳動物應(yīng)該是二倍體個體。

那么，魏延昌團隊是怎樣做的呢？記者聯(lián)系了論文一作兼通訊作者魏延昌，但未收到回復(fù)。

黃荷鳳幫助記者找到了這其中的關(guān)鍵：雖然小鼠沒有“男方”幫忙，但它有“姊妹”助攻。

這個“姊妹”叫作“第一極體”（first polar body，PB1）。

黃荷鳳向記者解釋說，卵母細胞在發(fā)育成熟的最后階段會分裂產(chǎn)生并排出第一極體（PB1），受精后又會產(chǎn)生并排出第二極體（2PB）。極體的體積大小只有卵母細胞體積的約1/50，它雖然細胞質(zhì)、營養(yǎng)物質(zhì)極少，但極體中含有一半數(shù)目的染色體。該研究團隊正是利用PB1，將其注入與其同胞的、經(jīng)過基因編輯“變性”的卵母細胞，組成一個具有2n染色體數(shù)目的細胞，再經(jīng)過培育、產(chǎn)生后代。

論文中對此也有描述：“……第一極體（PB1）被轉(zhuǎn)移到同胞MII卵母細胞的細胞質(zhì)中，形成二倍體孤雌胚胎。”（The first polar body (PB1) was transferred into the cytoplasm of the sibling MII oocyte to form diploid parthenogenetic embryos.）

“實際上，它還是一個雙倍體。”黃荷鳳介紹說，“這就好比有人穿了一件紅衣服，但不能理解成這人只穿了一件衣服——人家里邊還穿著‘背心’呢。”

科學(xué)家探索已近20年

黃荷鳳告訴《中國科學(xué)報》，對哺乳動物孤雌生殖成功的實驗研究，最早可追溯至2004年。

2004年Nature雜志報道，日本東京農(nóng)業(yè)大學(xué)河野友宏團隊修飾了小鼠未成熟卵細胞的染色體的特定含印記基因H19的片段，使之模仿精子的染色體表達；之后，他們使用“變性”后的卵細胞（扮演精子角色）與正常卵細胞結(jié)合，最終產(chǎn)生了457個胚胎。

這些胚胎中后來有2只小鼠出生。其中之一被命名為“輝夜姬”，據(jù)稱這個獨特的名字來源于日本最古老的物語文學(xué)作品《竹取物語》中一位“來自月亮的天女”。

“輝夜姬”開辟了這個研究方向——這是科學(xué)家首次編輯印記基因并成功實現(xiàn)哺乳動物的孤雌生殖，此后該研究領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。

2007年，韓國科學(xué)家黃禹錫曾在一次學(xué)術(shù)造假中，意外地創(chuàng)造出人類孤雌生殖干細胞系。該研究并非出于繁衍目的，而是用于干細胞療法嘗試。

其他學(xué)者在2019年復(fù)現(xiàn)了該偶然事件，證實了在現(xiàn)代技術(shù)支持下，人類可以進行單性生殖。

在中國，2016-2018年中科院動物所的研究團隊發(fā)現(xiàn)，單倍體胚胎干細胞中的基因組印記更少，潛在的影響也更容易消除，這也使得哺乳動物單性生殖的實驗研究成功率越來越高。

更重要的是，他們利用干細胞技術(shù)和基因編輯技術(shù)，不僅得到了健康的雙母親來源的小鼠，還誕生了世界上首只雙父親來源的小鼠（即“孤雄繁殖”）。相關(guān)論文刊登在《細胞—干細胞》（Cell Stem Cell）上。

對比此前的研究，魏延昌團隊在試驗中換了一把不同的“剪刀”：應(yīng)用最新的基因編輯技術(shù)來編輯印記基因——對特定的關(guān)鍵印記基因進行對應(yīng)的甲基化和去甲基化，不僅更精準，其可編輯的基因數(shù)也越來越多。

同時，他們使用了PB1這個此前常被忽略的細胞，讓此前孤雌生殖從需要“兩個卵母細胞”變成“一個卵母細胞和一個極體”。

在魏延昌等人的研究中，開始產(chǎn)下的3只幼崽有1只存活至成年并具有生殖能力；后續(xù)他們繼續(xù)優(yōu)化基因修飾位點，在此后一輪試驗中，產(chǎn)下了健康小鼠并繁殖出后代。

黃荷鳳總結(jié)說：“盡管近年來該領(lǐng)域的研究還是圍繞印記基因編輯的思路做文章，但可以看出，相關(guān)研究技術(shù)和研究策略正在一步步走向深入、不斷精進。”

為何研究哺乳動物單性生殖？

需要指出的是，盡管研究不斷改良、優(yōu)化，使得效率逐步上升，但對卵細胞進行基因修飾后培養(yǎng)出新個體的成功率仍然很低。

那么，科學(xué)家為何還要研究哺乳動物的單性生殖？

魏延昌團隊在論文中寫道，這項研究結(jié)果表明，可以通過對多個關(guān)鍵基因組印記控制區(qū)域的表觀遺傳重寫來實現(xiàn)動物的孤雌生殖，這或為農(nóng)業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)研究開辟新的道路。

也有生物學(xué)專家表示，首先，相關(guān)實驗再次證明了哺乳動物孤雌生殖的障礙是一部分基因組印記；其次，類似研究也提供著一些重要信息，這些信息可以幫助理解各種基因在發(fā)育過程中的作用，甚至幫助理解某些不育癥和先天疾病的起源，進而探索生殖的奧秘。

據(jù)了解，魏延昌在攻讀博士期間，就參與完成了中國首批成體細胞克隆豬和綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)基因豬。

他此前還在PNAS發(fā)表一篇論文，發(fā)現(xiàn)父親前期糖尿病可通過雄性生殖細胞表觀遺傳的變化傳遞給后代，揭示了獲得性性狀遺傳的關(guān)鍵分子機制。