逆天了!中国科学家造出只有父亲,没有母亲的小鼠!

发布日期:2018-10-12 17:45 | 文章来源:网络转载投稿 | 文章编辑:香洲资讯网—聚焦香洲新城,服务珠海香洲新区!

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(图片来源:Pixabay)
▲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(图片来源:Pixabay)

  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(图片来源:参考资料[1])
▲本研究的图示(图片来源:参考资料[1])

  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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