Cell Stem Cell：重磅！我國科學家在全球首次實現哺乳動物孤雄生殖

來源：生物谷，版權歸原作者所有

2018年10月13日/生物谷BIOON/---在過去十年左右的時間裡，科學家們已通過操縱印記基因組區域---在那裡，DNA的表觀遺傳修飾將某些基因的表達限制在一個親本的拷貝中---培育出由兩隻雌鼠作出遺傳貢獻的小鼠幼仔。如今，在一項新的研究中，來自中國科學院動物研究所、中國科學院幹細胞與再生醫學創新研究院、中國科學院大學和東北農業大學的研究人員對之前通過利用兩隻雌鼠培育出看似能夠正常生長的小鼠(所產生的這些小鼠能夠活到有它們自己的幼仔)的研究進行改進。他們採用一種類似的策略構建出由兩隻雄鼠產生的胚胎，不過它們的後代在出生後不能夠存活很長時間。相關研究結果於2018年10月11日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions」。論文通信作者為中國科學院動物研究所胡寶洋(Bao-Yang Hu)研究員、周琪(Qi Zhou)研究員和李偉(Wei Li)研究員。

圖片來自Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2018.09.004。

荷蘭拉德堡德大學生物學家Hendrik Marks(未參與這項研究)說，「這基本上是首項研究表明你能夠利用兩隻雄鼠產生小鼠後代。」眾所周知，基因組印記是比較重要的，這是因為在此之前構建雙母本胚胎(bimaternal embryo，也稱雙母親胚胎)和雙父本胚胎(bipaternal embryo，也稱雙父親胚胎)是比較困難的，他補充道，「但是如今[這些作者]實際上能夠產生這些小鼠，這是一個起點。你能夠開始研究每個印記基因並探尋它是如何發揮作用的。」

2012年，中國科學院的周琪課題組和趙小陽(Xiao-Yang Zhao)課題組通過將單個精子注射到沒有細胞核的卵子中而構建出具有正常染色體數量一半的小鼠胚胎幹細胞(Nature, 18 October 2012, doi:10.1038/nature11435)。2013年，他們利用未受精的卵子構建出單倍體胚胎幹細胞(Cell Research, 2013, doi:10.1038/cr2013126)。2015年，他們將孤雌單倍體胚胎幹細胞(parthenogenetic haploid embryonic stem cell, phESC)注射到小鼠卵母細胞中，從而培育出由兩隻雌鼠作出遺傳貢獻的小鼠後代，即雙母親小鼠(Cell Research, Published online:18 December 2015, doi:10.1038/cr2015151)。儘管所產生的小鼠後代能夠繁殖，但是它們總體上比野生型小鼠小。

在這項新的研究中，胡寶洋課題組、周琪課題組和李偉課題組想要對這種培育雙母親小鼠的方法加以改進，利用它們的單倍體胚胎幹細胞構建首批雙父親小鼠。

胡寶洋研究員在發送給《科學家》雜誌的電子郵件中寫道，「最大的挑戰是我們並不知道雙父本繁殖(bipaternal reproduction, 也稱雙父親繁殖，孤雄繁殖)」在小鼠中是否是可行的。他補充道，「雙母本繁殖(bimaternal reproduction, 也稱雙母親繁殖，孤雌繁殖)，在自然界的脊椎動物中是很常見的，比如兩棲動物，爬行動物和魚類。然而，由兩隻雄性動物成功地進行繁殖是非常罕見的」，僅在利用斑馬魚開展的實驗室實驗中得到證實。

這些研究人員發現利用在兩個印記基因組區域中發生基因缺失的孤雌單倍體胚胎幹細胞培育出的雙母親小鼠在行為測試中表現異常並且具有較小的身材。為了讓它們更接近於正常的小鼠，他們隨後剔除了位於Rasgrf1基因上游的第三個長12.1kb的印記基因組區域。他們選擇Rasgrf1基因是因為它在野生型成年小鼠和雙母親成年小鼠的大腦中差異性地表達。很顯然，他們的選擇是正確的。由此產生的雙母親小鼠後代正常地生長，而且在行為測試中與對照小鼠沒有差別。

為了解決雙父親胚胎的問題，這些研究人員回到了他們在2012年完成的那項研究(Nature, 18 October 2012, doi:10.1038/nature11435)，在那項研究中，他們通過將精子注射到沒有細胞核的卵子中而構建出孤雄單倍體胚胎幹細胞(androgenetic haploid embryonic stem cell, ahESC)。當他們將其中的一個孤雄單倍體胚胎幹細胞和另一個精子插入到新鮮的沒有細胞核的卵子中時，胚胎髮育開始發生，但這些胚胎在第8天左右停止生長，此後不久胎盤也停止生長。

因此，這些研究人員轉向了一種稱為四倍體胚胎互補(tetraploid complementation)的技術，這種技術促進由胚胎幹細胞產生的胚胎中的胎盤發育。他們從雙父親胚胎中獲得二倍體胚胎幹細胞，在讓這些二倍體胚胎幹細胞長成胚泡(blastocyst)後，他們將另一個孤雄單倍體胚胎幹細胞注入胚泡中。

即使採取了額外的步驟，這些研究人員也必須剔除7個之前已經證實影響胚胎髮育的印記基因組區域，才能成功培育出雙父親小鼠幼仔。僅少剔除一個印記基因組區域就會導致所產生的雙父親小鼠幼仔在出生後因呼吸問題而快速地死亡，它們在體重上是野生型小鼠幼仔的兩倍並且全身腫脹。缺失這7個印記基因組區域的雙父親小鼠幼仔仍然比野生型小鼠幼仔略大，並且在出生後不久就死亡，不過其中的兩隻雙父親小鼠幼仔的壽命超過48小時。

胡寶洋研究員告訴《科學家》雜誌，「為了獲得活的雙父親小鼠，我們需要剔除6個以上的印記基因組區域，這意味著與雙母親繁殖相比，雙父親繁殖需要克服更多的障礙。」

使用這些策略中的任何一種構建雙父親胚胎或雙母親胚胎都是低效的。僅大約14%的嘗試產生了雙母親胚胎，僅2.5%的四倍體胚胎互補嘗試產生了缺失7個基因(即Nespas、Grb10、Igf2r、Snrpn、Kcnq1、Peg3和Gnas)的雙父親胚胎。

美國波士頓兒童醫院生物學家Yi Zhang(未參與這項研究)說，「這篇論文的最為重要的部分是他們成功地培育出雙父親胚胎並且讓它們發育成型。」

然而，鑒於存在效率低下、雙父親小鼠幼仔較短的壽命以及關於雙母親小鼠健康狀況的未知因素等問題，他提醒道，這些研究人員的策略在人體中的「實際應用仍然很遠」。

如今，哺乳動物孤雌生殖和孤雄生殖已在實驗室中獲得了成功。儘管存在著上述提及的這些問題，但是鑒於科學仍在不斷發展，我們有朝一日將能夠破解關於生命和人類自身的奧秘。

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