打破生殖的性別限制：中國科學家實現哺乳動物的同性生殖

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研究中誕生的孤雄小鼠。（圖片來源：研究團隊）

在動物界，兩隻雌性產下後代的情況並不稀奇。然而，由於印記基因的存在，這種名為孤雌生殖的現象在自然情況下的哺乳動物中從未出現，而孤雄生殖更是不可能出現。在最新的《細胞·幹細胞》（Cell Stem Cell）期刊上，來自中國科學院動物研究所的研究團隊利用幹細胞和基因編輯手段，分別獲得了僅由雌性及雄性親本生育的小鼠。值得一提的是，其中存活的孤雄小鼠屬於世界首例。

撰文 | 楊心舟

編輯 | 吳非

文章的三位通訊作者李偉、周琪、胡寶洋（從左至右），三位研究員均來自中國科學院動物研究所。

奇特的生殖方式

生物學上將卵細胞不經過受精發育成正常個體的過程，稱作

孤雌生殖

（parthenogenesis）或雌核生殖（gynogenesis）。（兩者差異見下圖）這種生殖方式在動物界並不罕見，即使是在脊椎動物中，爬行動物、魚類和兩棲動物都存在此類生殖方式，然而

唯獨哺乳動物沒有

。20世紀80年代，有科學家通過小鼠試驗找出了原因。他們提出，小鼠的生長發育需要來自父系和母系的基因，同時父源和母源染色體同一位置的等位基因存在差異，因此兩性生殖在哺乳動物中非常關鍵。

左側為孤雌生殖；右側為雌核生殖，它需要精子來激活卵細胞發育，但是精子DNA並不參與融合新個體基因組。兩者都是依靠一個二倍體卵細胞發育成個體。圖：Unisexual reproduction among vertebrates

從遺傳學角度來說，在哺乳動物個體發育過程中，這種雙親基因的差異很重要。單親源二體（uniparental disomy，UPD）是一種表觀遺傳疾病，即來自父母一方的染色體片段被另一方的同源片段取代，或一個個體的兩條同源染色體都來自同一親體。這種情況會導致嚴重的胚胎缺陷甚至致死。通過後續研究，科學家找到了這種父母染色體部分基因表達差異的原因——

印記基因

（imprinted gene）。

印記基因最早於上世紀90年代被報道，迄今為止，在哺乳動物中有文獻報道的印記基因已有大約100種。它是一個經典的表觀遺傳現象，是指子代中某些特殊位點的基因僅表達來自父源或母源的等位基因，而對應的另一個等位基因不表達。父源與母源的印記基因往往需要相互協作從而在胚胎髮育中發揮作用。因此，哺乳動物想要通過同性來生殖個體非常困難。

同性哺乳動物後代的誕生

早在2004年，東京大學Kono實驗室構建了一枚特殊的小鼠卵母細胞，這個細胞的基因組分別來自兩隻雌性小鼠。敲除H19印記基因後，研究者利用該細胞培育得到了成熟的純母源基因小鼠個體，即孤雌小鼠。周琪研究員表示，這個孤雌小鼠有許多生理缺陷，並且技術本身實用性很低。目前世界上也還未有成功獲得新生孤雄小鼠的先例。

「我們對哺乳動物只能通過不同性別交合繁殖這個問題很感興趣。我們也希望利用兩隻雌鼠獲得更正常的小鼠，甚至用兩隻雄鼠產生後代。這也許可以通過對

單倍體胚胎幹細胞（haESCs）

進行基因編輯實現。」周琪表示。

目前科學界已經利用haESCs成功地培育了小鼠、大鼠、猴子和人類胚胎，這是一種進行基因篩選併產生新個體的新手段。在此之前研究團隊就已經利用刪除了H19和Dlk-Dio2印記基因的雌性haESCs，獲得了具有雙性親本基因的新生小鼠。

採用haESCs最大的優點是，其印記基因相對於其他細胞來說更少，因此可以最大限度地降低雙親特殊位點基因的表達，有助於同性別基因後代的產生。胡寶洋表示：「我們發現這種單倍體胚胎幹細胞就類似一種初生的胚胎細胞，即卵細胞和精子的前體細胞，印記基因在其中似乎被『移除』了。」

同性培育的新突破

在這項發表於《細胞·幹細胞》期刊的最新研究中，中科院動物研究所的科學家就利用haESCs，成功培育出孤雌小鼠和孤雄小鼠。

以孤雌小鼠為例，研究團隊首先提取了雌性haESCs的細胞基因組，並通過基因編輯手段刪除3個印記基因。隨後，他們將編輯後的基因組全部注射至另一個雌性個體的次級卵母細胞中，這時兩個只有一半雌性來源染色體的細胞，合併成只含雌性基因的新個體。通過該方法，

研究團隊從210個胚胎中獲得了29隻新生的小鼠，這些小鼠發育正常，甚至最後還能生育後代。

研究中誕生的孤雌小鼠和它們的母親。（圖片來源：研究團隊）

孤雄生殖的小鼠的誕生就沒那麼容易了。僅僅是需要刪除的印記基因，就是雌性的兩倍還多。其培育方式也更加複雜，由於基因組分別來自雄性haESCs和一個精子，之後還需要將它們注射至一個去核的卵母細胞中，並放置在雌性代孕個體中進行發育。

研究人員

最初只刪除了6個印記基因，但是這種胚胎存在很大的發育問題

，大約在胚胎期10.5天就無法繼續生長；儘管研究團隊也嘗試利用其他方式進行彌補，新生小鼠仍然存在極大的生理缺陷，並且在出生不久後死亡；通過這些缺陷小鼠與正常小鼠之間的比較，研究人員發現了

另一個很重要的印記基因：Gnas

。

具有生理缺陷的孤雄小鼠

刪除Gnas及此前的6個印記基因後，在477個胚胎中，

12隻活著的孤雄小鼠誕生了，這也是世界上首次誕生只有兩個父親親本的正常小鼠個體。

遺憾的是，這12隻小鼠的生理缺陷雖然在很大程度上得到減輕，但是仍然沒能成活到成年階段。後續研究發現，在這些孤雄小鼠中還伴隨了一些其他印記基因的差異表達，這有可能是孤雄小鼠在早期就死亡的原因。

李偉研究員指出，利用這種技術來獲得其他的同性哺乳動物後代還有一定困難，因為每個物種的印記基因表達都是獨特的，並且要如何保證後代沒有缺陷還需要大量研究。「這項研究讓我們看到了同性哺乳動物產生後代是有可能的，」他表示，「通過對印記基因的修飾，我們可以獲得完全健康的孤雌小鼠，並且孤雄小鼠的生殖困難也得以克服。這些新發現的印記基因，對於未來研究動物克隆都有重要意義。」

參考資料：

[1] Zhi-Kun Li, Le-Yun Wang et al. (2018) Generation of Uniparental Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions. Cell Stem Cell 23, 1–12

[2]Neaves, W.B., and Baumann, P. (2011). Unisexual reproduction among vertebrates. Trends Genet. 27, 81–88.

[3]Kono, T., Obata, YJ et al .(2004). Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood. Nature 428, 860–864.

[4]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-10/cp-mpw100418.php

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