你敢信，現(xiàn)在只用 1 個(gè)卵細(xì)胞，就能“生”出健康小鼠了！科學(xué)家們現(xiàn)在通過(guò)一些特殊方法，用單個(gè)卵細(xì)胞就能創(chuàng)造出健康的小鼠。生下來(lái)的小鼠不僅活到了成年，還有了自己的后代。
△成年小鼠和它的健康后代
這種現(xiàn)象被稱為孤雌生殖，此前一直沒(méi)能在哺乳動(dòng)物中真正實(shí)現(xiàn)。孤雌生殖在爬行動(dòng)物或某些魚(yú)蟲(chóng)鳥(niǎo)類中比較常見(jiàn)，哺乳動(dòng)物此前雖然用 2 個(gè)卵細(xì)胞實(shí)現(xiàn)過(guò)同性繁殖，但單個(gè)細(xì)胞還沒(méi)有成功過(guò)。
這篇最新的研究來(lái)自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院等單位，目前已經(jīng)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
來(lái)看看科學(xué)家們是怎么完成這一突破的。
用基因編輯模擬受精過(guò)程
事實(shí)上，孤雌生殖在自然界并不少見(jiàn)，但在哺乳動(dòng)物身上卻一直難以實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)椋锛?xì)胞中的一些印記基因，會(huì)在正常受精過(guò)程中，讓細(xì)胞中的某些等位基因 1 個(gè)表達(dá)而另 1 個(gè)不表達(dá)（正常來(lái)說(shuō)應(yīng)該都表達(dá)）。
也就是說(shuō)，我們中學(xué)生物學(xué)的孟德?tīng)栠z傳定律，在印記基因這里不適用，因?yàn)橛∮浕蚩赡軙?huì)讓雌雄 DNA 在組合時(shí)，強(qiáng)行表達(dá)其中一方的基因。
這個(gè)過(guò)程，對(duì)于哺乳動(dòng)物的胎兒生長(zhǎng)非常關(guān)鍵：
印記基因?qū)Σ溉閯?dòng)物胎兒的生長(zhǎng)和行為發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，異常表達(dá)可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)體出現(xiàn)過(guò)度生長(zhǎng)、生長(zhǎng)遲緩、智力障礙、行為異常等疾病。
因此，要想讓哺乳動(dòng)物通過(guò)單個(gè)卵細(xì)胞生長(zhǎng)存活，就需要通過(guò)基因編輯的方法，在卵細(xì)胞上模擬出受精卵的情況。
具體原理，就是利用甲基化酶和去甲基化酶，來(lái)讓 DNA 中的某些基因表達(dá)，另一些基因沉默。這是因?yàn)?，基因的甲基化能影響轉(zhuǎn)錄過(guò)程，使得基因沉默。
如果能完成這些基因的甲基化或去甲基化，就能讓卵細(xì)胞模擬出接受精子后的正常受精狀態(tài)。
通過(guò)進(jìn)一步研究，科學(xué)家們確定了 7 個(gè)需要被表達(dá)或沉默的基因，其中 2 個(gè)是父系基因組印記，5 個(gè)是母系基因組印記。
其中，2 個(gè)父系基因組印記 H19 和 Gtl2 在表達(dá)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)抑制代謝活動(dòng)、不生成蛋白質(zhì)，從而讓胚胎無(wú)法正常發(fā)育。因此，研究團(tuán)隊(duì)使用 CRISPR-dCas9 通過(guò) Dnmt3a 甲基化酶，將這兩個(gè)基因的控制區(qū)域進(jìn)行了甲基化。
而 5 個(gè)母系基因組印記控制區(qū)域 Igf2r、Snrpn、Kcnq1ot1、Nespas 和 Peg10 如果不表達(dá)，則會(huì)出現(xiàn)胚胎致死、或是嚴(yán)重影響其發(fā)育。
因此，研究人員又使用 CRISPR-dCpf1 通過(guò) Tet1 去甲基化酶，實(shí)現(xiàn)了這 5 個(gè)基因控制區(qū)域的去甲基化。當(dāng)然，這些都還是理論，如果能完成這些基因的甲基化或去甲基化，就能讓卵細(xì)胞模擬出接受精子后的正常受精狀態(tài)。
具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果究竟如何呢？
后代身體情況正常，可繁殖后代
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員按照如上方法構(gòu)建出了 389 個(gè)孤雌胚胎。經(jīng)過(guò)人工激活，其中 227 個(gè)為可培育的重構(gòu)卵母細(xì)胞。在體外培養(yǎng)后，有 192 個(gè)卵母細(xì)胞是可以正常發(fā)育到囊胚期，即胚泡。然后再將這些胚泡轉(zhuǎn)移到了 14 只雌性小鼠體內(nèi)。
最終，共產(chǎn)下了 3 只幼崽，其中 2 只體重過(guò)低，并表現(xiàn)出生長(zhǎng)遲緩的跡象，在出生后 24 小時(shí)內(nèi)死亡。
剩下 1 只幼崽體重正常，成功長(zhǎng)到了成年期，還能正常繁殖后代，并且其體內(nèi)的原發(fā)性印記障礙也不會(huì)遺傳給下一代。
不過(guò)這只“幸運(yùn)兒”在發(fā)育過(guò)程中，也同樣表現(xiàn)出了生長(zhǎng)遲緩的跡象，體重也比對(duì)照組低了 19.8%。研究人員發(fā)現(xiàn)，這只小鼠的 Rasgrf1 基因表達(dá)水平較低。
為了驗(yàn)證生長(zhǎng)延緩和這一基因表達(dá)情況是否有關(guān)，研究人員對(duì) Rasgrf1 進(jìn)行了額外的甲基化編輯。為此，他們培育了 155 個(gè)新型的孤雌胚胎，最后得到了 2 只小鼠后代。
結(jié)果顯示，這兩只小鼠在 Rasgrf1 基因表達(dá)正常，體重也與普通小鼠處于同一水平。也就是說(shuō)，Rasgrf1 基因的表達(dá)確實(shí)會(huì)影響孤雌生殖小鼠后代的生長(zhǎng)發(fā)育情況。
總之，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以表明，通過(guò)對(duì)多個(gè) ICR 進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋碛^遺傳調(diào)控，就能在哺乳動(dòng)物中實(shí)現(xiàn)孤雌生殖。
這一結(jié)論也符合親本沖突假說(shuō)，即父本、母本基因組印記的平衡，對(duì)于哺乳動(dòng)物的發(fā)育至關(guān)重要。至于為什么這一孤雌生殖方法只能培育出極少數(shù)的后代，研究人員給出了兩點(diǎn)看法。
第一，可能是能夠成功編輯基因的胚胎，并沒(méi)有挑選出來(lái)的那么多；
第二，也可能是錯(cuò)過(guò)了其他重要的基因座，比如 Grb10 基因也被發(fā)現(xiàn)參與了繁殖過(guò)程。
在實(shí)際應(yīng)用層面，這項(xiàng)研究為生殖繁育、遺傳病研究開(kāi)拓了道路。目前，科學(xué)家們正在探索用基因編輯的方法治療由單個(gè)基因調(diào)控的遺傳病，比如囊性纖維化、血友病和鐮狀細(xì)胞病等。
另外還有希望用于治療、預(yù)防癌癥、心臟病、HIV 方面。這項(xiàng)研究同樣也在網(wǎng)上引起了熱議，震驚于這項(xiàng)研究成果的同時(shí)，大家也開(kāi)始猜想它未來(lái)會(huì)在哪些領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。
不清楚這項(xiàng)研究對(duì)農(nóng)業(yè)和醫(yī)療，會(huì)有多大幫助。可以的話，不知道能不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單倍體玉米的繁育。
與此前研究有什么不同？
實(shí)際上，使用孤雌繁殖的方法來(lái)培育哺乳動(dòng)物后代，科學(xué)家們?cè)缇陀兴鶉L試。比如 2018 年中科院曾有一項(xiàng)發(fā)表在 Cell Stem Cell 上的研究，也是不依靠受精，就讓小鼠完成了繁育。
最終得到的后代可以正常生長(zhǎng)。
不過(guò)與最近的這項(xiàng)研究不同，中科院方面的工作是用上了兩個(gè)卵細(xì)胞，也就是雙親繁殖。原理還是利用了遺傳印記。實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過(guò)刪除遺傳印記的方式，讓卵母細(xì)胞中的母本特定基因正常表達(dá)。
這個(gè)過(guò)程可以被視為是一種“性別轉(zhuǎn)化”，即模仿精子的行為。
然后，將完成轉(zhuǎn)換的卵母細(xì)胞與另一只雌鼠的卵細(xì)胞結(jié)合，誘導(dǎo)胚胎發(fā)育成熟。
最終，研究人員培育的 210 個(gè)胚胎中，有 29 個(gè)小鼠出生，它們?cè)诎l(fā)育、行為、代謝等方面都與普通小鼠無(wú)異，并有 7 只小鼠正常繁育下后代。
如此高的成功率，是因?yàn)橹锌圃簣F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了單倍體胚胎干細(xì)胞中的基因組印記更少，潛在的影響也更容易消除。
利用 CRISPR-Cas9，研究人員一共刪除了 3 個(gè)遺傳印記，分別是 H19、IG 和 Rasgrf1。
這也解決了此前日本科學(xué)家在首次實(shí)現(xiàn)孤雌生殖時(shí)，繁育率過(guò)低、小鼠生長(zhǎng)發(fā)育存在缺陷的問(wèn)題。
△中科院團(tuán)隊(duì)培育出的雙母小鼠及其后代
此外，中科院的科學(xué)家們還嘗試了孤雄繁殖。使用類似的方法，研究人員刪除了雄性小鼠單倍體干細(xì)胞中的 7 個(gè)印記區(qū)。隨后他們將這一干細(xì)胞與另一精子結(jié)合，注射到去核卵細(xì)胞中，使后代基因完全來(lái)自兩個(gè)“父親”。
實(shí)驗(yàn)最終得到了 12 只孤雄生殖小鼠，雖然它們?cè)诔錾罂梢宰灾骱粑?，但還是僅僅只存活了兩天。
團(tuán)隊(duì)介紹
通訊作者為上海交通大學(xué)附屬仁濟(jì)醫(yī)院副研究員魏延昌。
主要從事哺乳動(dòng)物生殖與發(fā)育方面的研究。
曾在博士期間參與完成中國(guó)首批成體細(xì)胞克隆豬和綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)基因豬。
此前還在 PNAS 發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)父親前期糖尿病可以通過(guò)雄性生殖細(xì)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(guān)鍵分子機(jī)制；
論文地址：
https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2115248119
參考鏈接：
https://m.thepaper.cn/yidian_promDetail.jsp?contid=2524368&from=yidian
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