數(shù)百萬年來，處于進化樹頂端的高等動物有著固有的經(jīng)典生殖規(guī)律，即依靠精子和卵子結(jié)合維系著種族繁衍。目前，這一經(jīng)典規(guī)律或有被打破的可能，中科院動物所的研究團隊在小鼠身上率先獲得了與正常小鼠無異的孤雌生殖小鼠，同時首次看到了孤雄小鼠能存活至出生后48小時。

10月11日，上述研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Stem Cell 。該研究工作由中科院動物所和中科院干細胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院完成，動物所研究員胡寶洋、周琪和李偉為論文的共同通訊作者，博士后李治琨、王樂韻，博士生王立賓、袁雪薇以及副研究員馮桂海為共同第一作者。

印記修飾能夠全跨越同性生殖障礙，孤雌小鼠完全正常、孤雄小鼠能存活但早夭。

所謂的孤雌生殖，即即不經(jīng)過與雄性的交配，雌性個體即可生下后代。作為有性生殖的補充，孤雌生殖能在缺乏雄性的情況下，維持個體的繁衍與種群的更新。

實際上，孤雌生殖的現(xiàn)象在動物中并不罕見，例如在爬行類的蜥蜴、兩棲類的蛙，以及多種魚類中均存在。不過，與孤雌生殖對應(yīng)的孤雄生殖則極其罕見，迄今只在一種斑馬魚中發(fā)現(xiàn)孤雄生殖。

然而，對于高等哺乳動物來說，無論是孤雌生殖還是孤雄生殖都不存在。科學(xué)家們?nèi)斯?gòu)建出的孤雌或孤雄胚胎均在發(fā)育早期死亡。上世紀80年代，德國馬普所Davor Solter和劍橋Azim Surani等實驗室通過核移植實驗證明，只有同時具備雙親染色體的老鼠胚胎才能存活，這表明父源和母源基因組對于胚胎發(fā)育的貢獻存在不對稱性。

敲掉阻礙孤雌生殖的三把“枷鎖”

此前有研究提出，在爬行類和兩棲類不存在、而在哺乳類進化出來的印記基因被認為是阻礙哺乳動物同性生殖的重要因素。通俗來說，印記基因就像哺乳動物的性別“枷鎖”，想要沖破性別障礙，就要在印記基因上琢磨突破口。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的印記基因超過100個，隨機分布于染色體的數(shù)十個區(qū)段上，表達模式由印記控制區(qū)段的差異甲基化來控制。

東京農(nóng)業(yè)大學(xué)Kono實驗室曾在未成熟卵中刪除了2個印記控制區(qū)段，即H19和IG，就成功得到了活的孤雌小鼠。這也是全球?qū)嶒炇抑惺状螌崿F(xiàn)了哺乳動物的孤雌生殖，曾引起廣泛關(guān)注。

然而，許多新的科學(xué)問題也隨之而來：為什么在眾多印記區(qū)段中，僅僅改變兩個即可實現(xiàn)孤雌生殖？這些孤雌小鼠為什么有發(fā)育缺陷？孤雄生殖有可能在最高等的哺乳動物中實現(xiàn)嗎？

中國科學(xué)院動物研究所研究團隊結(jié)合單倍體（僅有一套染色體）干細胞技術(shù)和基因編輯技術(shù)對這些問題進行探索。

研究團隊首先發(fā)現(xiàn)，由卵細胞建立的孤雌單倍體干細胞，在高代次條件下，利用基因編輯技術(shù)刪除與Kono實驗室相同的兩個印記區(qū)段。隨后，研究人員將它們注射進第二個卵細胞。最終成功地發(fā)育得到“兩個母親”作為親本的后代，即孤雌小鼠。

研究人員進一步，高代次的孤雌單倍體細胞展現(xiàn)出了一種不同于卵子或較低代次細胞，反而類似原始生殖細胞的全基因組甲基化模式，且所有的印記區(qū)段都呈現(xiàn)出類似原始生殖細胞的“無印記”狀態(tài)。

論文中指出，這就解釋了為何“僅僅刪除2個”印記區(qū)段，就能獲得孤雌小鼠：實際上，所有繼承自卵細胞的印記基因，在孤雌單倍體干細胞中都經(jīng)歷了印記模式的“重新修正”。 即孤雌單倍體干細胞實現(xiàn)了“性別逆轉(zhuǎn)”，使得它們在基因形態(tài)上具有精子特征。

不過，僅改動兩個印記區(qū)段并不是成功的終點。和Kono獲得的孤雌小鼠一樣，中科院動物所的研究團隊通過上述方法獲得的孤雌小鼠也存在多種缺陷異于“正常”：這些小鼠壽命延長，但生長速度緩慢、焦慮難安。

研究團隊最終發(fā)現(xiàn)，在孤雌小鼠中還存在另一把“枷鎖”，即印記基因Rasgrf1。他們之前獲得孤雌小鼠其他所有印記基因都與正常小鼠無異，但印記基因Rasgrf1表達顯著異常。

研究人員在孤雌單倍體干細胞中同時刪除了H19、IG和Rasgrf1三個印記區(qū)段后，最終首次獲得了在發(fā)育、行為、代謝和生育力上均與正常小鼠無異的孤雌小鼠。

和正常小鼠無異的孤雌小鼠及其后代。

首次實現(xiàn)哺乳動物孤雄生殖

研究團隊用同樣的實驗設(shè)計嘗試獲得孤雄小鼠。

在由精子建立的孤雄單倍體干細胞中，研究人員同樣發(fā)現(xiàn)了類似原始生殖細胞的甲基化模式。這意味著，在低等脊椎動物中罕見的孤雄生殖，有可能在哺乳動物中實現(xiàn)。

研究人員在孤雄單倍體干細胞中，首先篩選并刪除了6個重要的印記控制區(qū)段（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg36）。這些細胞與另一顆精子所形成的孤雄胚胎成功獲得了后代。然而，這種個體存在很多健康問題并不能存活。

研究團隊將第7個重要印記基因（Gnas）精確修飾后，結(jié)果進一步改善。

不過，和前述最終獲得的健康正常的孤雌小鼠依然有所區(qū)別。刪除7個印記基因的孤雄小鼠雖然外觀正常、可以自主呼吸，但仍存在很多健康問題，都在出生后48小時內(nèi)死亡。

雖然存活時間較短，但該項研究也是首次獲得了具有兩個父系基因組的孤雄小鼠，證實了即便在最高等的哺乳動物中，孤雄生殖也有可能實現(xiàn)。

研究團隊提到，更完善的印記修飾能夠完全跨越孤雌生殖障礙，獲得健康發(fā)育的孤雌動物。得到孤雄小鼠則需要更多的印記修飾，而所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。

研究團隊認為，哺乳動物同性生殖此番在實驗室中獲得了成功，對理解基因組印記的進化、調(diào)控和功能具有重要意義，對于開發(fā)新的動物生殖手段也有重要價值。

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網(wǎng)址: 中科院實現(xiàn)哺乳動物同性繁殖：雌性小鼠完全健康，雄性早夭 http://m.u1s5d6.cn/newsview635159.html