只有父親、沒有母親的小鼠誕生，破紀錄成功存活48小時

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10 月 11 日，《細胞-幹細胞（Cell Stem Cell）》發表了來自中國科學院動物研究所的李偉、周琪和胡寶洋團隊的一項重磅成果，他們利用基因編輯和幹細胞技術，成功造出雙親都是同一性別的小鼠。

其中，雙親是兩個「媽媽」的小鼠，能夠健康長大成年，並繁衍出自己的後代；雙親是兩個「爸爸」的小鼠，雖然未能活到成年，但這些幼崽仍在出生後存活了 48 小時。用兩個父親的 DNA 造出能夠存活這麼久的幼崽小鼠，尚屬首次！

圖：同性雙親產下的健康小鼠，長大成年後又有了自己的後代。（圖片來源：Leyun Wang）

提到生孩子，似乎沒有父親有時也可以，但沒有母親是不可能的。螞蟻、蜜蜂等孤雌生殖方式或許大家已經耳熟能詳。不過，對於大多說動物尤其是哺乳動物來說，就沒有那麼任性了。

按照正常的理解，我們每一個人，都是從受精卵發育而來，而受精卵又是從擁有 23 條染色體的精子和擁有 23 條染色體的卵子結合形成。在這個過程中，既少不了爸爸，也少不了媽媽。

但是科學家們想要探究的問題是，為什麼兩個精子或者兩個卵子，就不能結合形成一個擁有完整染色體的細胞，並發育成完整個體呢？

其實，這裡面的關鍵因素就是基因組印記（genomic imprinting）。

（圖片來源：CC0 Public Domain）

基因組印記是一種遺傳學現象，指只有來自特定親代的基因得以表達，而不遵從孟德爾定律依靠單親傳遞某些遺傳學性狀的現象。

在一般二倍體生物的體細胞中擁有兩份基因組，通常這兩份基因組中的等位基因都能表現。但少數（小於 1%）的基因會受到印記的影響，使其中一份基因失去作用。例如編碼胰島素的生長因子 2（IGF2 / Igf2）的基因，只有來自父親的等位基因能夠表達。

除了人類，還有一些其他生命體的遺傳特徵也會受到基因印記的影響，甚至會影響整個染色體。在一些昆蟲中，整個父系基因組在雄性後代中沉默，因此參與性別決定。

那麼問題來了，如果，人為地將這些基因組印記刪除，是不是就能實現用兩個精子或兩個卵子發育出完整後代呢？

其實，在此之前，科學家們已經嘗試從未成熟卵細胞中刪除這些印跡基因，並讓兩個卵子結合，造出只有兩個母親 DNA 的後代。但是這種方法造出的小鼠顯示出明顯的出生缺陷和致死性。

「我們對為什麼哺乳動物只能進行有性生殖問題十分感興趣。」研究論文的通訊作者周琪說，「我們希望能夠找出利用胚胎幹細胞的方法，讓兩個雌性父母或兩個雄性父母也可以生出正常的小鼠。」

圖 | 論文的共同通訊作者：中國科學院動物研究所胡寶洋研究員（左）、周琪研究員（中）和李偉研究員（右）（圖片來源：中國科學院動物研究所）；此外，博士後李治琨、王樂韻、博士生王立賓、袁雪薇以及馮桂海副研究員為共同第一作者。

在這次的研究中，研究人員做出了關鍵的改變，他們使用了含有正常細胞一半數量染色體的單倍體胚胎幹細胞（ESCs）。

首先，研究人員通過從含有雌性親本 DNA 的單倍體胚胎幹細胞中，使用 CRISPR 基因編輯工具，刪除基因組的三個印記區域。然後，研究人員將這些只來自目前的遺傳物質，注射到另一隻雌性小鼠的卵母細胞中，並誘導胚胎髮育。

研究人員表示，「我們在這項研究中發現單倍體胚胎幹細胞與原始生殖細胞更相似，它是卵子和精子的前體。只不過他們的基因組印記被『擦除』。」

研究人員按照這種方法，一共造出了 210 個胚胎，最終有 29 個胚胎髮育成熟並成功誕下小鼠。這些雙親都是媽媽的小鼠，健康地活到成年，並像正常小鼠一樣能夠生下自己的後代。

圖：研究人員利用同性雙親生產小鼠的過程（來源：cell官網）

更厲害的是，研究團隊使用類似但更複雜的程序，嘗試用僅來自父親的 DNA 造出成活後代。研究人員在僅含有雄性親本 DNA 的單倍體胚胎幹細胞中，利用基因編輯技術刪除關鍵的基因組印記，但是與母本操作相比難度更大更複雜，一共刪除了七個關鍵的印跡區域。

然後，研究人員將修改後的單倍體胚胎幹細胞，與來自另一隻雄性小鼠的精子一起注射到已經移除其細胞核的卵細胞中。這樣就產生了僅含有來自兩個雄性親本 DNA 的胚胎。最後，這些胚胎再一起轉移到代孕母鼠體內。

最終在 477 個胚胎中，有 12 只小鼠成功出生，其中有 2 只成功存活超過了 48 小時。研究人員表示，他們正計劃改進這一過程，以使這些小鼠能夠活到成年。

圖：由兩位父親生下的小鼠寶寶（來源：LEYUN WANG）

研究人員同時表示，「這項研究告訴我們什麼是可能的，我們看到了同性雙親的小鼠出生缺陷可以被消除，哺乳動物的同性生殖障礙也可以通過印記修飾來克服。我們還揭示了一些最重要的印記區域，這些區域阻礙了同性父母的發育，這是對研究基因組印記和動物克隆很有幫助的地方。」

要說明的是，用兩名父親的 DNA 產下小鼠，並非第一例。2011 年德克薩斯大學的科學家曾利用來自體細胞的多能幹細胞，成功組合兩個雄性單倍體基因組，產生了可存活的雌性或雄性小鼠。但當時更多是對 Y 染色體進行的研究，而本次研究則主要針對細胞表觀遺傳學修飾展開。

表觀遺傳學與細胞的發育有著密切的聯繫，尤其對多細胞真核生物來說非常重要。這些化學修飾就像賦予了細胞「記憶」，使幹細胞的潛能得到發揮或沉默。而通過了解這些「記憶」，科學家將能夠更好的了解生命的奧秘。

畢竟，科學家們大費周折，並不是為了真的另闢蹊徑，要給人類找個第二種繁衍後代的方式。在探究生命無窮奧秘的同時，這樣的成果也將會在疾病治療等領域真正造福人類。此前，科學家們已經認識到腫瘤的發生與表觀遺傳修飾有著密不可分的聯繫，基因編輯和幹細胞技術的迅速發展也已經在先天性遺傳疾病的治療方面得到了應用。對於人類疾病治療的未來，我們還可以期待更多。

參考：