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逆天了!中國科學家造出只有父親,沒有母親的小鼠!

http://finance.sina.com   2018年10月11日 18:41   北京新浪網

  來源:學術經緯

  今日,諸多科技媒體被一條突破性進展刷屏——來自中國科學院動物研究所的李偉課題組、周琪課題組、以及胡寶洋課題組聯合發表的一項研究表明,利用幹細胞技術與基因編輯技術,我們能造出雙親都是同一性別的小鼠!也就是說,這些小鼠要麼有兩名母親,卻沒有父親;要麼有兩名父親,卻沒有母親。

  這項重磅研究,今日在線刊登在了《細胞》子刊《細胞-幹細胞》上。

 ▲本研究的三位通訊作者李偉研究員、周琪研究員、以及胡寶洋研究員(圖片來源:中國科學院動物研究所) ▲本研究的三位通訊作者李偉研究員、周琪研究員、以及胡寶洋研究員(圖片來源:中國科學院動物研究所)

  不需另一半也能繁衍後代?

  男女結合才能生兒育女,這對於人類來說似乎是顛撲不破的真理。但倘若我們把目光投向整個動物界,就能發現“性別不同的兩個個體”,並不是繁衍後代的必要條件。對於許多爬行動物、兩棲動物、乃至魚類來說,只靠自己,就能產下諸多後代。

▲一些爬行動物表示,繁衍後代並不需要另一半的參與(圖片來源:Pavel Ševela [CC BY-SA 4.0  (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons)▲一些爬行動物表示,繁衍後代並不需要另一半的參與(圖片來源:Pavel Ševela [CC BY-SA 4.0  (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons)

  舉例來說,在2010年,科學家們發現一條雌性紅尾蚺蛇(Boa constrictor)通過無性繁殖,生下了22條小蛇。後續的染色體分析確認,這些後代的誕生,的確沒有依賴雄性的參與(雄蛇的染色體爲ZZ型,雌蛇的染色體爲ZW型,而無性繁殖產生的後代染色體均爲罕見的WW型)。對此,科學家們除了大呼神奇之外,並不理解背後的生物學機理。

  高等動物能無性繁殖嗎?

  既然爬行動物能夠無性繁殖,哺乳動物能不能也做到呢?很遺憾,在自然條件下,這看起來是一個不可能完成的任務。其中的原因,在於一種叫做“基因組印記”(genomic imprinting)的現象。這是指由父親或母親提供的基因,有一些會被“關閉”,失去活性。只有來自父母雙方的基因湊在一起,才能產生互補,讓後代正常發育。

 ▲新生命的誕生需要父母雙方的參與,在生物學上是有原因的(圖片來源:Pixabay) 新生命的誕生需要父母雙方的參與,在生物學上是有原因的(圖片來源:Pixabay)

  舉個例子,人類中有一條叫做IGF2的基因,對於發育和生長起到了至關重要的作用。但有趣的是,只有來自父親的IGF2基因才具有活性。儘管母親提供的IGF2基因從DNA序列上看,可以和父親的基因一模一樣,但它們就是會被關閉,無法產生作用。同樣的,也有一些基因只有靠母親遺傳,才能發揮功能。

  這就解釋了爲啥自然環境中,哺乳動物的誕生需要父母雙方的參與——如果只有父親或母親提供遺傳物質,勢必會有一些基因無法順利表達,造成缺陷,影響胚胎髮育。

  “輝夜姬”的誕生

  如果我們能改變“基因組印記”,讓來自母親的基因看起來和父親的基因一樣,不就能造出只有母親,沒有父親的小鼠了嗎?利用這個方法,一支日本團隊在2004年率先取得了成功——他們造出的一隻小鼠有兩位母親,卻沒有父親。科學家們把這隻小鼠命名爲“輝夜姬”,這是日本神話中誕生於竹子的嬰兒。這隻小鼠順利活到了成年,並和其他小鼠正常繁衍,產下了後代。

  “但這隻小鼠依舊存在一些缺陷,而且其方法難以應用,非常不實際。” 周琪研究員說道。

  這的確是一個事實。爲了“輝夜姬”的順利誕生,日本團隊一共製造出了460個小鼠胚胎,只有10只順利出生,更只有1只活到了成年。顯然,這項技術還有很大的提升空間。

  中國科學家的突破

  而這正是中國科學家的突破所在。這支團隊發現,單倍體胚胎幹細胞(haploid embryonic stem cells)帶有更少的“基因組印記”。“我們發現單倍體胚胎幹細胞更接近於原始生殖細胞,這是卵子和精子的前體,” 胡寶洋研究員說道:“在配子(卵子和精子)中發現的‘基因組印記’被‘抹除’了。”

▲本研究的圖示(圖片來源:參考資料[1])▲本研究的圖示(圖片來源:參考資料[1])

  在來自雌性小鼠的單倍體胚胎幹細胞中,科學家們利用先進的基因編輯工具CRISPR-Cas9系統,額外移除了3個“基因組印記”的重災區。這樣一來,這些幹細胞裏的遺傳物質,就能保持較好的基因表達活性。

  隨後,科學家們將這些幹細胞的遺傳物質注射到了處於M2期的卵母細胞中,誘導胚胎的發育與形成。用這種方法生出的小鼠,體內就帶有兩個母親的遺傳物質。研究人員們最終制造了210個胚胎,其中29只小鼠順利誕生,不少順利生長到了成年,並生下了自己的後代。可見,這項技術的成功比例要來得更高。

▲只有母親,沒有父親的小鼠發育一切正常,自己也成功產下了後代(圖片來源:Leyun Wang,中國科學院動物研究所)

  如果說製造“只有母親,沒有父親”的小鼠已經夠複雜了,那製造“只有父親,沒有母親”的小鼠則還要複雜……

  利用類似的方法,科學家們在雄性小鼠的單倍體幹細胞中,移除的“基因組印記”重災區高達7處。隨後,他們將這些遺傳物質與另一隻雄性小鼠的精子一塊,注射到了一個沒有細胞核的卵子中。隨後,這個細胞會在代孕小鼠的體內發育成胚胎,生出新的小鼠,它們只帶有兩名父親的遺傳信息。

▲造出只有父親,沒有母親的小鼠,可以說是一個突破(圖片來源:Leyun Wang,中國科學院動物研究所)▲造出只有父親,沒有母親的小鼠,可以說是一個突破(圖片來源:Leyun Wang,中國科學院動物研究所)

  這個方法要難多了。在477個胚胎中,只有12只小鼠成功誕生。其中,10只小鼠在出生2天后死亡。剩下的2只小鼠,也沒有活到成年。後續研究發現,即便經歷瞭如此多的基因編輯,依然有一些基因沒有成功表達。這或許是“只有父親,沒有母親”的小鼠爲何早夭的原因。

  總結

  諸多生物學家指出,這項突破性的研究,再次證明“基因組印記”,正是阻礙哺乳動物單性繁殖的原因。而即便是大規模的基因組改造,都無法徹底消除這些印記。這也指明瞭科學未來的前進方向。

  “這項研究揭示了各種可能性,”李偉研究員評論道:“我們看到只有兩名母親的小鼠,其缺陷能夠被消除。我們也看到通過修飾‘基因組印記’,能克服只有兩名父親的生殖障礙。我們還揭示了阻礙小鼠單性繁殖的重要印記區域,這對於研究‘基因組印記’和動物克隆都有意義。”

  需要注意的是,這項研究距離人體應用還遠得很。暫且不提小鼠體系中的種種技術難關,即便我們能高效造出單性繁殖的小鼠,從小鼠到人類的轉化,也依舊有着技術、倫理、以及法律上的挑戰。這一切,需要科學家、生物倫理學家、以及法律專家共同解決。

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