小鼠產仔不需“男方”，原來有“姊妹”幫忙

這兩天，中國科學家團隊的一項最新成果頗具熱度：他們用單個未受精卵細胞，培育出健康的小鼠，且可存活至成年，還有了自己的后代。

這項成果由上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院副研究員魏延昌等人完成，論文發表在3月7日的美國《國家科學院院刊》（PNAS）上。

但在眾多媒體報道中，科學家們通過對單個卵細胞進行基因編輯等進行操作，就直接可以出生存活的小鼠。

這似乎違反了常識，因為哺乳動物卵子是通過減數分裂，其染色體數目只有體細胞的一半，而存活的哺乳動物應該是二倍體個體。

實際上，這是對成果的誤讀。那么，小鼠產仔“不用爸”，背后究竟藏著什么玄機？《中國科學報》采訪了中國科學院院士、中國醫學科學院學部委員黃荷鳳。

來自“姊妹”的助攻

眾所周知，包括人類在內的哺乳動物都是有性繁殖，雌雄兩種生殖細胞缺一不可；自然界中只有一些低等生物如蚜蟲、蜜蜂、少數鳥類和爬行動物可以通過孤雌生殖（即單性生殖）繁衍后代。

哺乳動物為啥不能孤雌生殖呢？最大阻礙來自于“基因組印記”，哺乳動物的精子與卵子結合產生后代的過程中，有的基因表達只能來自父本，有的只能來自母本，只有“父母雙全”才能產下健康后代。

但在實驗室中，科學家們陸續實現了用同性生殖細胞的結合產生后代。

他們所采用的方法，就是改變這種“印記”、使生殖細胞在基因層面“變性”。

在魏延昌等人的研究中，他們使生殖細胞在基因層面“變性”的工具是基因編輯技術。

具體來講，他們應用CRISPR -dCas9基因編輯技術，對小鼠卵母細胞的7個甲基化印記控制區域進行DNA甲基化重寫后，在胞漿中注入另一個卵子的極體，創造了孤雌生殖誕生且可存活至成年的小鼠。

近日有報道稱：“魏延昌研究團隊使用單個未受精卵子產生了可存活個體”，讓不少人誤解成只需編輯一個卵子就直接可以出生存活的小鼠。

孤雌生殖小鼠及其后代    圖片來源：論文截圖

但這顯然不符合常識：哺乳動物卵細胞染色體數目只有體細胞的一半，而存活的哺乳動物應該是二倍體個體。

那么，魏延昌團隊是怎樣做的呢？記者聯系了論文一作兼通訊作者魏延昌，但未收到回復。

黃荷鳳幫助記者找到了這其中的關鍵：雖然小鼠沒有“男方”幫忙，但它有“姊妹”助攻。

這個“姊妹”叫作“第一極體”（first polar body，PB1）。

黃荷鳳向記者解釋說，卵母細胞在發育成熟的最后階段會分裂產生并排出第一極體（PB1），受精后又會產生并排出第二極體（2PB）。極體的體積大小只有卵母細胞體積的約1/50，它雖然細胞質、營養物質極少，但極體中含有一半數目的染色體。該研究團隊正是利用PB1，將其注入與其同胞的、經過基因編輯“變性”的卵母細胞，組成一個具有2n染色體數目的細胞，再經過培育、產生后代。

論文中對此也有描述：“……第一極體（PB1）被轉移到同胞MII卵母細胞的細胞質中，形成二倍體孤雌胚胎。”（The first polar body (PB1) was transferred into the cytoplasm of the sibling MII oocyte to form diploid parthenogenetic embryos.）

“實際上，它還是一個雙倍體。”黃荷鳳介紹說，“這就好比有人穿了一件紅衣服，但不能理解成這人只穿了一件衣服——人家里邊還穿著‘背心’呢。”

科學家探索已近20年

黃荷鳳告訴《中國科學報》，對哺乳動物孤雌生殖成功的實驗研究，最早可追溯至2004年。

2004年Nature雜志報道，日本東京農業大學河野友宏團隊修飾了小鼠未成熟卵細胞的染色體的特定含印記基因H19的片段，使之模仿精子的染色體表達；之后，他們使用“變性”后的卵細胞（扮演精子角色）與正常卵細胞結合，最終產生了457個胚胎。

這些胚胎中后來有2只小鼠出生。其中之一被命名為“輝夜姬”，據稱這個獨特的名字來源于日本最古老的物語文學作品《竹取物語》中一位“來自月亮的天女”。

“輝夜姬”開辟了這個研究方向——這是科學家首次編輯印記基因并成功實現哺乳動物的孤雌生殖，此后該研究領域引起廣泛關注。

2007年，韓國科學家黃禹錫曾在一次學術造假中，意外地創造出人類孤雌生殖干細胞系。該研究并非出于繁衍目的，而是用于干細胞療法嘗試。

其他學者在2019年復現了該偶然事件，證實了在現代技術支持下，人類可以進行單性生殖。

在中國，2016-2018年中科院動物所的研究團隊發現，單倍體胚胎干細胞中的基因組印記更少，潛在的影響也更容易消除，這也使得哺乳動物單性生殖的實驗研究成功率越來越高。

更重要的是，他們利用干細胞技術和基因編輯技術，不僅得到了健康的雙母親來源的小鼠，還誕生了世界上首只雙父親來源的小鼠（即“孤雄繁殖”）。相關論文刊登在《細胞—干細胞》（Cell Stem Cell）上。

對比此前的研究，魏延昌團隊在試驗中換了一把不同的“剪刀”：應用最新的基因編輯技術來編輯印記基因——對特定的關鍵印記基因進行對應的甲基化和去甲基化，不僅更精準，其可編輯的基因數也越來越多。

同時，他們使用了PB1這個此前常被忽略的細胞，讓此前孤雌生殖從需要“兩個卵母細胞”變成“一個卵母細胞和一個極體”。

在魏延昌等人的研究中，開始產下的3只幼崽有1只存活至成年并具有生殖能力；后續他們繼續優化基因修飾位點，在此后一輪試驗中，產下了健康小鼠并繁殖出后代。

黃荷鳳總結說：“盡管近年來該領域的研究還是圍繞印記基因編輯的思路做文章，但可以看出，相關研究技術和研究策略正在一步步走向深入、不斷精進。”

為何研究哺乳動物單性生殖？

需要指出的是，盡管研究不斷改良、優化，使得效率逐步上升，但對卵細胞進行基因修飾后培養出新個體的成功率仍然很低。

那么，科學家為何還要研究哺乳動物的單性生殖？

魏延昌團隊在論文中寫道，這項研究結果表明，可以通過對多個關鍵基因組印記控制區域的表觀遺傳重寫來實現動物的孤雌生殖，這或為農業、科研和醫學研究開辟新的道路。

也有生物學專家表示，首先，相關實驗再次證明了哺乳動物孤雌生殖的障礙是一部分基因組印記；其次，類似研究也提供著一些重要信息，這些信息可以幫助理解各種基因在發育過程中的作用，甚至幫助理解某些不育癥和先天疾病的起源，進而探索生殖的奧秘。

據了解，魏延昌在攻讀博士期間，就參與完成了中國首批成體細胞克隆豬和綠色熒光蛋白轉基因豬。

他此前還在PNAS發表一篇論文，發現父親前期糖尿病可通過雄性生殖細胞表觀遺傳的變化傳遞給后代，揭示了獲得性性狀遺傳的關鍵分子機制。

相關論文信息：

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2115248119

https://www.nature.com/articles/cr2015151

https://www.nature.com/articles/nature02402

https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/clo.2007.0063

https://doi.org/10.1016/j.rbmo.2010.07.001

https://10.0.3.248/j.stem.2018.09.004