引言

兩個(gè)鼠爸爸也能生出鼠寶寶？現(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)家們做到了，而且寶寶還活到了成年。

《細(xì)胞·干細(xì)胞》雜志29日?qǐng)?bào)道了一項(xiàng)哺乳動(dòng)物單性生殖的重要進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所周琪研究員、李偉研究員、李治琨副研究員以及中山大學(xué)駱觀正教授等利用胚胎干細(xì)胞工程技術(shù)，成功讓兩個(gè)鼠爸一起“生”出鼠寶寶，并且小鼠創(chuàng)紀(jì)錄地活到了成年。

01

有性生殖與印記基因

普通哺乳動(dòng)物的生殖過(guò)程是典型的有性生殖方式。

在這種生殖方式中，后代的產(chǎn)生依賴于雌性和雄性雙方的生殖細(xì)胞——卵子和精子。具體來(lái)說(shuō)，雌性哺乳動(dòng)物的卵巢會(huì)產(chǎn)生卵子，而雄性哺乳動(dòng)物的睪丸會(huì)產(chǎn)生精子。當(dāng)精子與卵子結(jié)合時(shí)，形成一個(gè)受精卵，這個(gè)受精卵包含了來(lái)自父母雙方的遺傳信息。受精卵隨后會(huì)開(kāi)始分裂和發(fā)育，最終形成一個(gè)新的個(gè)體。

在這個(gè)過(guò)程中，父母雙方的遺傳信息是至關(guān)重要的。每個(gè)個(gè)體的細(xì)胞中都包含兩套染色體，一套來(lái)自母親，一套來(lái)自父親。這兩套染色體上的基因共同決定了個(gè)體的性狀，包括外貌、生理特征和行為等。

在雙方染色體這茫茫多的基因信息上，有一類(lèi)特殊的基因起著關(guān)鍵作用，它們被稱(chēng)為印記基因。

與普通基因不同，印記基因具有“親本特異性表達(dá)”的特點(diǎn)，即它們只從父本或母本一方表達(dá)，而另一方則不表達(dá)或表達(dá)極弱。

印記基因的發(fā)現(xiàn)可以追溯到20世紀(jì)90年代初。科學(xué)家在研究哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些基因的表達(dá)受到親本來(lái)源的影響，即這些基因只從父親或母親一方表達(dá)。這種現(xiàn)象打破了傳統(tǒng)的孟德?tīng)栠z傳定律，因?yàn)榘凑彰系聽(tīng)柖桑?strong>來(lái)自父母雙方的基因應(yīng)該平等表達(dá)。

但是，印記基因的存在確實(shí)證明，基因表達(dá)并非完全對(duì)稱(chēng)，而是受到親本來(lái)源的調(diào)控。

正是由于它，單性生殖（如孤雌生殖或孤雄生殖）變得極為困難。

印記基因調(diào)控著胚胎的生長(zhǎng)、組織形成和生理功能的建立，倘若是母源印記基因，則傾向于“縮小”胎兒體積，以適應(yīng)有限的子宮空間，孤雌小鼠（所有遺傳物質(zhì)來(lái)自母親）因而通常體重較輕，壽命較長(zhǎng)；

父源印記基因會(huì)通過(guò)“增大”胎兒體積，提高后代的生存幾率，如果體內(nèi)有兩套父本DNA時(shí)，胚胎往往會(huì)過(guò)度生長(zhǎng)，這種生物學(xué)上的不可持續(xù)性最終會(huì)導(dǎo)致孤雄小鼠（所有遺傳物質(zhì)來(lái)自父親）體重較重，壽命較短。

02

從孤雌到孤雄小鼠

事實(shí)上，培育出孤雄小鼠的經(jīng)驗(yàn)是全世界科學(xué)家經(jīng)年累月儲(chǔ)存下來(lái)的，一開(kāi)始，他們從孤雌小鼠開(kāi)始做起。

2004年，由日本東京農(nóng)業(yè)大學(xué)的Tomohiro Kono團(tuán)隊(duì)邁出了驚人的一步。

他們通過(guò)精準(zhǔn)地修改關(guān)鍵印記基因H19的調(diào)控區(qū)，成功培育出了世界上首批“有兩個(gè)媽媽”的孤雌小鼠。這些小鼠不僅頑強(qiáng)地存活至成年，還展現(xiàn)出了令人嘖嘖稱(chēng)奇的特性：它們的體重遠(yuǎn)低于正常小鼠，但壽命卻比普通小鼠長(zhǎng)出了28%。

那么自然的，科學(xué)界開(kāi)始將目光投向孤雌生殖的對(duì)立面——孤雄生殖。

2011年，美國(guó)得克薩斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，他們從雄性小鼠體內(nèi)提取出干細(xì)胞，通過(guò)精心培育，使其部分細(xì)胞丟失了Y染色體，搖身一變成為了“雌性”干細(xì)胞。基于此，他們成功培育出了攜帶雙父本遺傳信息的小鼠。這一成果雖然為孤雄生殖的可能性點(diǎn)亮了綠燈，但卻未能觸及遺傳調(diào)控的深層機(jī)制。

真正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2018年。中國(guó)科學(xué)家周琪、李偉和胡寶洋等人以不僅創(chuàng)造出了能夠健康成長(zhǎng)并繁衍后代的“雙媽”小鼠，還大膽嘗試將小鼠精子注入去核卵細(xì)胞，成功孕育出了“純雄性”受精卵，并迎來(lái)了存活48小時(shí)的“雙爸”鼠寶，不過(guò)形態(tài)有點(diǎn)奇怪：身長(zhǎng)僅約三厘米，體態(tài)臃腫，四肢短小，浮腫嚴(yán)重，呼吸困難，活動(dòng)受限。

這一研究不僅再次為孤雄生殖的可能性提供了有力證據(jù)，更揭開(kāi)了印記基因編輯的新篇章。然而，“雙爸”鼠寶的外貌卻與正常小鼠大相徑庭，宛如迷你的“小海象”，

03

再突破！活到成年的雙雄小鼠

面對(duì)“雙爸”鼠寶的發(fā)育難題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始追根溯源。他們發(fā)現(xiàn)，多個(gè)印記基因與孤雄胚胎的發(fā)育問(wèn)題緊密相關(guān)，尤其是父源DNA異常二倍化時(shí)。為修復(fù)這些印記區(qū)域，團(tuán)隊(duì)在孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞中逐一進(jìn)行修復(fù)，并將編輯后的細(xì)胞與精子注入去核卵細(xì)胞。但“小海象”的出現(xiàn)表明問(wèn)題仍未完全解決。

深入剖析孤雄小鼠后，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)其水腫不僅限于體表，還蔓延至內(nèi)臟，部分器官異常腫大，肝臟甚至達(dá)正常五倍。他們提出假設(shè)：孤雄小鼠死亡可能與內(nèi)臟過(guò)度膨脹壓迫其他器官有關(guān)。

基于此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始第二輪基因編輯，目標(biāo)不僅修復(fù)導(dǎo)致胚胎死亡的印記基因，還涉及所有與過(guò)度生長(zhǎng)相關(guān)的區(qū)域。經(jīng)過(guò)五輪對(duì)19個(gè)印記區(qū)段的編輯，孤雄小鼠體重下降，異常癥狀緩解，約30%存活至成年。

但是，孤雄胚胎無(wú)法發(fā)育正常胎盤(pán)，團(tuán)隊(duì)就采用了“四倍體補(bǔ)償”技術(shù)：正常細(xì)胞的基因是成對(duì)的（兩份），但“四倍體”細(xì)胞有四份基因。科學(xué)家用這種技術(shù)來(lái)提供額外的基因支持，在孤雄胚胎無(wú)法正常發(fā)育胎盤(pán)時(shí)，用四倍體細(xì)胞來(lái)幫助形成胎盤(pán)，并修復(fù)胎盤(pán)中印記基因的異常表達(dá)。最終，構(gòu)建出了攜帶20個(gè)印記區(qū)段基因編輯的孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞，成功孕育出可長(zhǎng)時(shí)間存活胎兒和功能完備胎盤(pán)。

有趣的是，這些孤雄小鼠呈現(xiàn)出了相當(dāng)顯著的特性，他們體重增長(zhǎng)快，探索欲望強(qiáng)，在曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中頻繁踏入中心區(qū)域。孤雌小鼠則相反，幾乎總是沿邊緣徘徊。

此外，孤雌小鼠壽命長(zhǎng)，孤雄小鼠壽命僅為普通小鼠的60%。DNA甲基化檢測(cè)顯示，差異可能源于未完全修復(fù)的殘余基因印記。

End

寫(xiě)在文末

下一步，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究如何通過(guò)修飾印記基因來(lái)產(chǎn)生具有更高發(fā)育潛能的胚胎。他們還計(jì)劃將這些在小鼠中開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)方法擴(kuò)展到猴子等更大的動(dòng)物模型中。也許未來(lái)，我們真的能看到該技術(shù)的廣泛運(yùn)用。