不用精子就能繁育后代，科學(xué)家只用1個卵細胞就培育出健康小鼠，來自上交醫(yī)學(xué)院 | PNAS
用基因編輯模擬受精過程
明敏 蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
你敢信，現(xiàn)在只用1個卵細胞，就能“生”出健康小鼠了！
科學(xué)家們現(xiàn)在通過一些特殊方法，用單個卵細胞就能創(chuàng)造出健康的小鼠。
生下來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，此前一直沒能在哺乳動物中真正實現(xiàn)。
孤雌生殖在爬行動物或某些魚蟲鳥類中比較常見，哺乳動物此前雖然用2個卵細胞實現(xiàn)過同性繁殖，但單個細胞還沒有成功過。
這篇最新的研究來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬濟仁醫(yī)院等單位，目前已經(jīng)發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
來看看科學(xué)家們是怎么完成這一突破的。
用基因編輯模擬受精過程
事實上，孤雌生殖在自然界并不少見，但在哺乳動物身上卻一直難以實現(xiàn)。
這是因為，生物細胞中的一些印記基因，會在正常受精過程中，讓細胞中的某些等位基因1個表達而另1個不表達（正常來說應(yīng)該都表達）。
也就是說，我們中學(xué)生物學(xué)的孟德爾遺傳定律，在印記基因這里不適用，因為印記基因可能會讓雌雄DNA在組合時，強行表達其中一方的基因。
這個過程，對于哺乳動物的胎兒生長非常關(guān)鍵：
印記基因?qū)Σ溉閯游锾旱纳L和行為發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，異常表達可能會導(dǎo)致個體出現(xiàn)過度生長、生長遲緩、智力障礙、行為異常等疾病。
因此，要想讓哺乳動物通過單個卵細胞生長存活，就需要通過基因編輯的方法，在卵細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，來讓DNA中的某些基因表達，另一些基因沉默。
這是因為，基因的甲基化能影響轉(zhuǎn)錄過程，使得基因沉默。
如果能完成這些基因的甲基化或去甲基化，就能讓卵細胞模擬出接受精子后的正常受精狀態(tài)。
通過進一步研究，科學(xué)家們確定了7個需要被表達或沉默的基因，其中2個是父系基因組印記，5個是母系基因組印記。
其中，2個父系基因組印記H19和Gtl2在表達時，會出現(xiàn)抑制代謝活動、不生成蛋白質(zhì)，從而讓胚胎無法正常發(fā)育。
因此，研究團隊使用CRISPR-dCas9通過Dnmt3a甲基化酶，將這兩個基因的控制區(qū)域進行了甲基化。
而5個母系基因組印記控制區(qū)域Igf2r、Snrpn、Kcnq1ot1、Nespas和Peg10如果不表達，則會出現(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Tet1去甲基化酶，實現(xiàn)了這5個基因控制區(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，就能讓卵細胞模擬出接受精子后的正常受精狀態(tài)。
具體實驗結(jié)果究竟如何呢？
后代身體情況正常，可繁殖后代
在實驗中，研究人員按照如上方法構(gòu)建出了389個孤雌胚胎。
經(jīng)過人工激活，其中227個為可培育的重構(gòu)卵母細胞。
在體外培養(yǎng)后，有192個卵母細胞是可以正常發(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只體重過低，并表現(xiàn)出生長遲緩的跡象，在出生后24小時內(nèi)死亡。
剩下1只幼崽體重正常，成功長到了成年期，還能正常繁殖后代，并且其體內(nèi)的原發(fā)性印記障礙也不會遺傳給下一代。
不過這只“幸運兒”在發(fā)育過程中，也同樣表現(xiàn)出了生長遲緩的跡象，體重也比對照組低了19.8%。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這只小鼠的Rasgrf1基因表達水平較低。
為了驗證生長延緩和這一基因表達情況是否有關(guān)，研究人員對Rasgrf1進行了額外的甲基化編輯。
為此，他們培育了155個新型的孤雌胚胎，最后得到了2只小鼠后代。
結(jié)果顯示，這兩只小鼠在Rasgrf1基因表達正常，體重也與普通小鼠處于同一水平。
也就是說，Rasgrf1基因的表達確實會影響孤雌生殖小鼠后代的生長發(fā)育情況。
總之，這些實驗數(shù)據(jù)可以表明，通過對多個ICR進行適當(dāng)?shù)谋碛^遺傳調(diào)控，就能在哺乳動物中實現(xiàn)孤雌生殖。
這一結(jié)論也符合親本沖突假說，即父本、母本基因組印記的平衡，對于哺乳動物的發(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看法。
第一，可能是能夠成功編輯基因的胚胎，并沒有挑選出來的那么多；
第二，也可能是錯過了其他重要的基因座，比如Grb10基因也被發(fā)現(xiàn)參與了繁殖過程。
在實際應(yīng)用層面，這項研究為生殖繁育、遺傳病研究開拓了道路。
目前，科學(xué)家們正在探索用基因編輯的方法治療由單個基因調(diào)控的遺傳病，比如囊性纖維化、血友病和鐮狀細胞病等。
另外還有希望用于治療、預(yù)防癌癥、心臟病、HIV方面。
這項研究同樣也在網(wǎng)上引起了熱議，震驚于這項研究成果的同時，大家也開始猜想它未來會在哪些領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。
不清楚這項研究對農(nóng)業(yè)和醫(yī)療，會有多大幫助。
可以的話，不知道能不能實現(xiàn)兩個單倍體玉米的繁育。
與此前研究有什么不同？
實際上，使用孤雌繁殖的方法來培育哺乳動物后代，科學(xué)家們早就有所嘗試。
比如2018年中科院曾有一項發(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。
不過與最近的這項研究不同，中科院方面的工作是用上了兩個卵細胞，也就是雙親繁殖。
原理還是利用了遺傳印記。
實驗中，研究人員通過刪除遺傳印記的方式，讓卵母細胞中的母本特定基因正常表達。
這個過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)換的卵母細胞與另一只雌鼠的卵細胞結(jié)合，誘導(dǎo)胚胎發(fā)育成熟。
最終，研究人員培育的210個胚胎中，有29個小鼠出生，它們在發(fā)育、行為、代謝等方面都與普通小鼠無異，并有7只小鼠正常繁育下后代。
如此高的成功率，是因為中科院團隊發(fā)現(xiàn)了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。
利用CRISPR-Cas9，研究人員一共刪除了3個遺傳印記，分別是H19、IG和Rasgrf1。
這也解決了此前日本科學(xué)家在首次實現(xiàn)孤雌生殖時，繁育率過低、小鼠生長發(fā)育存在缺陷的問題。
△中科院團隊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胞中的7個印記區(qū)。
隨后他們將這一干細胞與另一精子結(jié)合，注射到去核卵細胞中，使后代基因完全來自兩個“父親”。
實驗最終得到了12只孤雄生殖小鼠，雖然它們在出生后可以自主呼吸，但還是僅僅只存活了兩天。
團隊介紹
通訊作者為上海交通大學(xué)附屬仁濟醫(yī)院副研究員魏延昌。
主要從事哺乳動物生殖與發(fā)育方面的研究。
曾在博士期間參與完成中國首批成體細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(guān)鍵分子機制；
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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