哺乳动物无性生殖获突破 中科院首次实现孤雄生殖

新浪科技
2018-10-12

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新浪科技2018-10-12

我们所在的这颗蓝色星球上,每个角落里似乎都有生命的存在。无论在进化树上处于哪个位置,维持种族的繁衍是所有生命体都要必须面对的头等大事。

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最简单的生命体——病毒,需要借助宿主细胞进行扩增和繁殖;细菌和部分植物采用孢子繁殖,这是一种简单的无性生殖;蜜蜂和蚂蚁则采用孤雌繁殖,仅靠种群中的雌性就能繁育后代;而处于进化树顶端的哺乳动物则采用有性生殖,这种精子和卵子结合的生殖方式既能够保证群体基因组的稳定,又能通过基因重组推动物种的进化。

数以百万年来,精子和卵子的结合被认为是高等动物新生命诞生的必经之路,同样维系着人类种族的繁衍。然而,来自中国科学院的科学家们正在探索生命形成的本质,人们心中固有的经典生殖规律可能会被打破。

中国科学院动物研究所胡宝洋研究员、周琪研究员和李伟研究员团队合作,通过对单倍体胚胎干细胞进行印记基因修饰并利用该细胞进行复杂胚胎操作的形式,得到了世界上首只双父亲来源的小鼠,以及性状正常的双母亲小鼠。相关工作于10月11日以长文的形式在国际学术期刊《细胞干细胞》(Cell stem cell)上发表。

人造精子 人造精子

科学家们首先创造了“人造精子”:在实验室中,一颗小鼠的精子被注射到去除细胞核的卵子中,精子经历了卵子的重编程后华丽地变身为一种新型的干细胞—“孤雄单倍体干细胞”。研究发现,孤雄单倍体干细胞既保持了胚胎干细胞的多能性和分化潜能,又同精子一样仅具有1套染色体。更为神奇的是,科学家们利用孤雄单倍体干细胞成功地替代精子完成了卵母细胞受精的使命,繁育获得了后代。

孤雄单倍体胚胎干细胞替代精子获得后代 孤雄单倍体胚胎干细胞替代精子获得后代

性别逆转

那么,单倍体干细胞能否“性别逆转”,实现孤雄单倍体干细胞和孤雌单倍体干细胞之间的转换呢?然而要真正实现性别的“逆转”可不容易。哺乳动物在进化过程中,为了区分精子和卵子,在各自的基因位置上进化出类似于“锁”一样的印记基因,而要想性别的“逆转”,就要在印记基因上下功夫。科学家们利用“基因编辑”技术改变了小鼠孤雌单倍体干细胞中两个被称为H19和IG的重要印记基因区域,这使得它们在基因形态上具有了精子的特征。

孤雌单倍体胚胎干细胞替代精子获得双母亲基因组来源孤雌小鼠 孤雌单倍体胚胎干细胞替代精子获得双母亲基因组来源孤雌小鼠

孤雌生殖

经过了一系列“瞒天过海”的改造,来自雌鼠A的卵母细胞先被激活、之后完成了性别逆转,并被再次注射进来自雌鼠B的卵母细胞中。“她们”最终突破了性别的束缚,获得了爱的结晶,成功地发育成为由两个雌性小鼠作为亲本的后代,这就如同西游记中神奇的“女儿国之水”,不需要“御弟哥哥”,哺乳动物的孤雌生殖已经在实验室中成为了现实!

孤雌单倍体干细胞经过基因编辑后注入卵母细胞中,能够发育成个体 孤雌单倍体干细胞经过基因编辑后注入卵母细胞中,能够发育成个体

然而更多人的关注点在于这种来源的个体是否健康。正如公众关心的一样,我们惊奇地发现这种获得个体除了意外获得了长寿特性外,存在生长速度缓慢,焦虑难安的精神问题。为了获得健康的双母亲来源的个体,科学家又找到了一个新的精子来源的大锁——Rasgrf1,这把大锁一加,获得的孤雌个体就和正常个体无异。

3KO的小鼠比2KO的小鼠更加接近野生型小鼠 3KO的小鼠比2KO的小鼠更加接近野生型小鼠

孤雄生殖

既然雌性之间的同性生殖已经被科学家攻克,那么雄性之间的同性生殖也不会远了。这一次,科学家试图寻找限制雄性单倍体干细胞的“枷锁”。通过精确修饰孤雄单倍体干细胞上6个印记基因(Nespas,Grb10,Igf2r,Snrpn,Kcnq1,Peg3),并将其与另外一枚精子同时注射到小鼠去核卵中,经历多轮改造后,两枚精子来源的胚胎也成功获得了后代。然而,这种个体存在很多健康问题并不能存活。科学家将另外一个重要印记基因(Gnas)进行了精确修饰后,终于获得了更为正常、健康的双父亲小鼠,并实现了短期的存活。

通过精确修饰孤雄单倍体干细胞上6个印记基因,并将其与另外一枚精子同时注射到小鼠去核卵中,培养成胚胎干细胞,通过四倍体补偿的方式可以得到后代。7KO的小鼠相比与6KO的小鼠更接近正常小鼠,可以短期存活。 通过精确修饰孤雄单倍体干细胞上6个印记基因,并将其与另外一枚精子同时注射到小鼠去核卵中,培养成胚胎干细胞,通过四倍体补偿的方式可以得到后代。7KO的小鼠相比与6KO的小鼠更接近正常小鼠,可以短期存活。

如今,哺乳动物同性生殖已在实验室中获得了成功。然而,科学仍在不断发展,终有一天,我们将解开关于生命和人类自身的奥秘。

相关报道:逆天了!中国科学家造出只有父亲,没有母亲的小鼠!

今日,诸多科技媒体被一条突破性进展刷屏——来自中国科学院动物研究所的李伟课题组、周琪课题组、以及胡宝洋课题组联合发表的一项研究表明,利用干细胞技术与基因编辑技术,我们能造出双亲都是同一性别的小鼠!也就是说,这些小鼠要么有两名母亲,却没有父亲;要么有两名父亲,却没有母亲。

这项重磅研究,今日在线刊登在了《细胞》子刊《细胞-干细胞》上。

 ▲本研究的三位通讯作者李伟研究员、周琪研究员、以及胡宝洋研究员(图片来源:中国科学院动物研究所) ▲本研究的三位通讯作者李伟研究员、周琪研究员、以及胡宝洋研究员(图片来源:中国科学院动物研究所)

不需另一半也能繁衍后代?

男女结合才能生儿育女,这对于人类来说似乎是颠扑不破的真理。但倘若我们把目光投向整个动物界,就能发现“性别不同的两个个体”,并不是繁衍后代的必要条件。对于许多爬行动物、两栖动物、乃至鱼类来说,只靠自己,就能产下诸多后代。

▲一些爬行动物表示,繁衍后代并不需要另一半的参与(图片来源:Pavel Ševela [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons) ▲一些爬行动物表示,繁衍后代并不需要另一半的参与(图片来源:Pavel Ševela [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons)

举例来说,在2010年,科学家们发现一条雌性红尾蚺蛇(Boa constrictor)通过无性繁殖,生下了22条小蛇。后续的染色体分析确认,这些后代的诞生,的确没有依赖雄性的参与(雄蛇的染色体为ZZ型,雌蛇的染色体为ZW型,而无性繁殖产生的后代染色体均为罕见的WW型)。对此,科学家们除了大呼神奇之外,并不理解背后的生物学机理。

高等动物能无性繁殖吗?

既然爬行动物能够无性繁殖,哺乳动物能不能也做到呢?很遗憾,在自然条件下,这看起来是一个不可能完成的任务。其中的原因,在于一种叫做“基因组印记”(genomic imprinting)的现象。这是指由父亲或母亲提供的基因,有一些会被“关闭”,失去活性。只有来自父母双方的基因凑在一起,才能产生互补,让后代正常发育。

 ▲新生命的诞生需要父母双方的参与,在生物学上是有原因的 ▲新生命的诞生需要父母双方的参与,在生物学上是有原因的

举个例子,人类中有一条叫做IGF2的基因,对于发育和生长起到了至关重要的作用。但有趣的是,只有来自父亲的IGF2基因才具有活性。尽管母亲提供的IGF2基因从DNA序列上看,可以和父亲的基因一模一样,但它们就是会被关闭,无法产生作用。同样的,也有一些基因只有靠母亲遗传,才能发挥功能。

这就解释了为啥自然环境中,哺乳动物的诞生需要父母双方的参与——如果只有父亲或母亲提供遗传物质,势必会有一些基因无法顺利表达,造成缺陷,影响胚胎发育。

“辉夜姬”的诞生

如果我们能改变“基因组印记”,让来自母亲的基因看起来和父亲的基因一样,不就能造出只有母亲,没有父亲的小鼠了吗?利用这个方法,一支日本团队在2004年率先取得了成功——他们造出的一只小鼠有两位母亲,却没有父亲。科学家们把这只小鼠命名为“辉夜姬”,这是日本神话中诞生于竹子的婴儿。这只小鼠顺利活到了成年,并和其他小鼠正常繁衍,产下了后代。

“但这只小鼠依旧存在一些缺陷,而且其方法难以应用,非常不实际。” 周琪研究员说道。

这的确是一个事实。为了“辉夜姬”的顺利诞生,日本团队一共制造出了460个小鼠胚胎,只有10只顺利出生,更只有1只活到了成年。显然,这项技术还有很大的提升空间。

中国科学家的突破

而这正是中国科学家的突破所在。这支团队发现,单倍体胚胎干细胞(haploid embryonic stem cells)带有更少的“基因组印记”。“我们发现单倍体胚胎干细胞更接近于原始生殖细胞,这是卵子和精子的前体,” 胡宝洋研究员说道:“在配子(卵子和精子)中发现的‘基因组印记’被‘抹除’了。”

▲本研究的图示 ▲本研究的图示

在来自雌性小鼠的单倍体胚胎干细胞中,科学家们利用先进的基因编辑工具CRISPR-Cas9系统,额外移除了3个“基因组印记”的重灾区。这样一来,这些干细胞里的遗传物质,就能保持较好的基因表达活性。

随后,科学家们将这些干细胞的遗传物质注射到了处于M2期的卵母细胞中,诱导胚胎的发育与形成。用这种方法生出的小鼠,体内就带有两个母亲的遗传物质。研究人员们最终制造了210个胚胎,其中29只小鼠顺利诞生,不少顺利生长到了成年,并生下了自己的后代。可见,这项技术的成功比例要来得更高。

▲只有母亲,没有父亲的小鼠发育一切正常,自己也成功产下了后代(图片来源:Leyun Wang,中国科学院动物研究所)

如果说制造“只有母亲,没有父亲”的小鼠已经够复杂了,那制造“只有父亲,没有母亲”的小鼠则还要复杂……

利用类似的方法,科学家们在雄性小鼠的单倍体干细胞中,移除的“基因组印记”重灾区高达7处。随后,他们将这些遗传物质与另一只雄性小鼠的精子一块,注射到了一个没有细胞核的卵子中。随后,这个细胞会在代孕小鼠的体内发育成胚胎,生出新的小鼠,它们只带有两名父亲的遗传信息。

▲造出只有父亲,没有母亲的小鼠,可以说是一个突破(图片来源:Leyun Wang,中国科学院动物研究所) ▲造出只有父亲,没有母亲的小鼠,可以说是一个突破(图片来源:Leyun Wang,中国科学院动物研究所)

这个方法要难多了。在477个胚胎中,只有12只小鼠成功诞生。其中,10只小鼠在出生2天后死亡。剩下的2只小鼠,也没有活到成年。后续研究发现,即便经历了如此多的基因编辑,依然有一些基因没有成功表达。这或许是“只有父亲,没有母亲”的小鼠为何早夭的原因。

总结

诸多生物学家指出,这项突破性的研究,再次证明“基因组印记”,正是阻碍哺乳动物单性繁殖的原因。而即便是大规模的基因组改造,都无法彻底消除这些印记。这也指明了科学未来的前进方向。

“这项研究揭示了各种可能性,”李伟研究员评论道:“我们看到只有两名母亲的小鼠,其缺陷能够被消除。我们也看到通过修饰‘基因组印记’,能克服只有两名父亲的生殖障碍。我们还揭示了阻碍小鼠单性繁殖的重要印记区域,这对于研究‘基因组印记’和动物克隆都有意义。”

需要注意的是,这项研究距离人体应用还远得很。暂且不提小鼠体系中的种种技术难关,即便我们能高效造出单性繁殖的小鼠,从小鼠到人类的转化,也依旧有着技术、伦理、以及法律上的挑战。这一切,需要科学家、生物伦理学家、以及法律专家共同解决。

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