今日，諸多科技媒體被一條突破性進(jìn)展刷屏——來(lái)自中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所的李偉課題組、周琪課題組、以及胡寶洋課題組聯(lián)合發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，利用干細(xì)胞技術(shù)與基因編輯技術(shù)，我們能造出雙親都是同一性別的小鼠！也就是說(shuō)，這些小鼠要么有兩名母親，卻沒(méi)有父親；要么有兩名父親，卻沒(méi)有母親。

這項(xiàng)重磅研究，今日在線(xiàn)刊登在了《細(xì)胞》子刊《細(xì)胞-干細(xì)胞》上。

▲本研究的三位通訊作者李偉研究員、周琪研究員、以及胡寶洋研究員（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所）

不需另一半也能繁衍后代？

男女結(jié)合才能生兒育女，這對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)似乎是顛撲不破的真理。但倘若我們把目光投向整個(gè)動(dòng)物界，就能發(fā)現(xiàn)“性別不同的兩個(gè)個(gè)體”，并不是繁衍后代的必要條件。對(duì)于許多爬行動(dòng)物、兩棲動(dòng)物、乃至魚(yú)類(lèi)來(lái)說(shuō)，只靠自己，就能產(chǎn)下諸多后代。

▲一些爬行動(dòng)物表示，繁衍后代并不需要另一半的參與（圖片來(lái)源：Pavel ?evela [CC BY-SA 4.0  （https：//creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0）]， from Wikimedia Commons）

舉例來(lái)說(shuō)，在2010年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一條雌性紅尾蚺蛇（Boa constrictor）通過(guò)無(wú)性繁殖，生下了22條小蛇。后續(xù)的染色體分析確認(rèn)，這些后代的誕生，的確沒(méi)有依賴(lài)雄性的參與（雄蛇的染色體為ZZ型，雌蛇的染色體為ZW型，而無(wú)性繁殖產(chǎn)生的后代染色體均為罕見(jiàn)的WW型）。對(duì)此，科學(xué)家們除了大呼神奇之外，并不理解背后的生物學(xué)機(jī)理。

高等動(dòng)物能無(wú)性繁殖嗎？

既然爬行動(dòng)物能夠無(wú)性繁殖，哺乳動(dòng)物能不能也做到呢？很遺憾，在自然條件下，這看起來(lái)是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。其中的原因，在于一種叫做“基因組印記”（genomicimprinting）的現(xiàn)象。這是指由父親或母親提供的基因，有一些會(huì)被“關(guān)閉”，失去活性。只有來(lái)自父母雙方的基因湊在一起，才能產(chǎn)生互補(bǔ)，讓后代正常發(fā)育。

▲新生命的誕生需要父母雙方的參與，在生物學(xué)上是有原因的（圖片來(lái)源：Pixabay）

舉個(gè)例子，人類(lèi)中有一條叫做IGF2的基因，對(duì)于發(fā)育和生長(zhǎng)起到了至關(guān)重要的作用。但有趣的是，只有來(lái)自父親的IGF2基因才具有活性。盡管母親提供的IGF2基因從DNA序列上看，可以和父親的基因一模一樣，但它們就是會(huì)被關(guān)閉，無(wú)法產(chǎn)生作用。同樣的，也有一些基因只有靠母親遺傳，才能發(fā)揮功能。

這就解釋了為啥自然環(huán)境中，哺乳動(dòng)物的誕生需要父母雙方的參與——如果只有父親或母親提供遺傳物質(zhì)，勢(shì)必會(huì)有一些基因無(wú)法順利表達(dá)，造成缺陷，影響胚胎發(fā)育。

“輝夜姬”的誕生

如果我們能改變“基因組印記”，讓來(lái)自母親的基因看起來(lái)和父親的基因一樣，不就能造出只有母親，沒(méi)有父親的小鼠了嗎？利用這個(gè)方法，一支日本團(tuán)隊(duì)在2004年率先取得了成功——他們?cè)斐龅囊恢恍∈笥袃晌荒赣H，卻沒(méi)有父親?？茖W(xué)家們把這只小鼠命名為“輝夜姬”，這是日本神話(huà)中誕生于竹子的嬰兒。這只小鼠順利活到了成年，并和其他小鼠正常繁衍，產(chǎn)下了后代。

“但這只小鼠依舊存在一些缺陷，而且其方法難以應(yīng)用，非常不實(shí)際。”周琪研究員說(shuō)道。

這的確是一個(gè)事實(shí)。為了“輝夜姬”的順利誕生，日本團(tuán)隊(duì)一共制造出了460個(gè)小鼠胚胎，只有10只順利出生，更只有1只活到了成年。顯然，這項(xiàng)技術(shù)還有很大的提升空間。

中國(guó)科學(xué)家的突破

而這正是中國(guó)科學(xué)家的突破所在。這支團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，單倍體胚胎干細(xì)胞（haploid embryonic stem cells）帶有更少的“基因組印記”?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)單倍體胚胎干細(xì)胞更接近于原始生殖細(xì)胞，這是卵子和精子的前體，” 胡寶洋研究員說(shuō)道：“在配子（卵子和精子）中發(fā)現(xiàn)的‘基因組印記’被‘抹除’了?！?/p>

▲本研究的圖示（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

在來(lái)自雌性小鼠的單倍體胚胎干細(xì)胞中，科學(xué)家們利用先進(jìn)的基因編輯工具CRISPR-Cas9系統(tǒng)，額外移除了3個(gè)“基因組印記”的重災(zāi)區(qū)。這樣一來(lái)，這些干細(xì)胞里的遺傳物質(zhì)，就能保持較好的基因表達(dá)活性。

隨后，科學(xué)家們將這些干細(xì)胞的遺傳物質(zhì)注射到了處于M2期的卵母細(xì)胞中，誘導(dǎo)胚胎的發(fā)育與形成。用這種方法生出的小鼠，體內(nèi)就帶有兩個(gè)母親的遺傳物質(zhì)。研究人員們最終制造了210個(gè)胚胎，其中29只小鼠順利誕生，不少順利生長(zhǎng)到了成年，并生下了自己的后代?？梢?jiàn)，這項(xiàng)技術(shù)的成功比例要來(lái)得更高。

▲只有母親，沒(méi)有父親的小鼠發(fā)育一切正常，自己也成功產(chǎn)下了后代（圖片來(lái)源：Leyun Wang，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所）

如果說(shuō)制造“只有母親，沒(méi)有父親”的小鼠已經(jīng)夠復(fù)雜了，那制造“只有父親，沒(méi)有母親”的小鼠則還要復(fù)雜……

利用類(lèi)似的方法，科學(xué)家們?cè)谛坌孕∈蟮膯伪扼w干細(xì)胞中，移除的“基因組印記”重災(zāi)區(qū)高達(dá)7處。隨后，他們將這些遺傳物質(zhì)與另一只雄性小鼠的精子一塊，注射到了一個(gè)沒(méi)有細(xì)胞核的卵子中。隨后，這個(gè)細(xì)胞會(huì)在代孕小鼠的體內(nèi)發(fā)育成胚胎，生出新的小鼠，它們只帶有兩名父親的遺傳信息。

▲造出只有父親，沒(méi)有母親的小鼠，可以說(shuō)是一個(gè)突破（圖片來(lái)源：Leyun Wang，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所）

這個(gè)方法要難多了。在477個(gè)胚胎中，只有12只小鼠成功誕生。其中，10只小鼠在出生2天后死亡。剩下的2只小鼠，也沒(méi)有活到成年。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，即便經(jīng)歷了如此多的基因編輯，依然有一些基因沒(méi)有成功表達(dá)。這或許是“只有父親，沒(méi)有母親”的小鼠為何早夭的原因。

總結(jié)

諸多生物學(xué)家指出，這項(xiàng)突破性的研究，再次證明“基因組印記”，正是阻礙哺乳動(dòng)物單性繁殖的原因。而即便是大規(guī)模的基因組改造，都無(wú)法徹底消除這些印記。這也指明了科學(xué)未來(lái)的前進(jìn)方向。

“這項(xiàng)研究揭示了各種可能性，”李偉研究員評(píng)論道：“我們看到只有兩名母親的小鼠，其缺陷能夠被消除。我們也看到通過(guò)修飾‘基因組印記’，能克服只有兩名父親的生殖障礙。我們還揭示了阻礙小鼠單性繁殖的重要印記區(qū)域，這對(duì)于研究‘基因組印記’和動(dòng)物克隆都有意義?！?/p>

需要注意的是，這項(xiàng)研究距離人體應(yīng)用還遠(yuǎn)得很。暫且不提小鼠體系中的種種技術(shù)難關(guān)，即便我們能高效造出單性繁殖的小鼠，從小鼠到人類(lèi)的轉(zhuǎn)化，也依舊有著技術(shù)、倫理、以及法律上的挑戰(zhàn)。這一切，需要科學(xué)家、生物倫理學(xué)家、以及法律專(zhuān)家共同解決。

相關(guān)報(bào)道:

• 人工繁殖江豚成活并迎來(lái)"百天" 目前身體健康發(fā)育正常

• 江豚人工繁殖成活 訓(xùn)練員：觀察確認(rèn)幼豚吃到母乳

• 我們真的了解衰老與繁殖嗎？