不用精子就能繁育后代，科學家只用1個卵細胞就培育出健康小鼠，來自上交醫(yī)學院 | PNAS

蕭簫 2022-03-10 12:44:31 來源：量子位

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你敢信，現(xiàn)在只用1個卵細胞，就能“生”出健康小鼠了！

科學家們現(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醫(yī)學院附屬濟仁醫(yī)院等單位，目前已經(jīng)發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。

來看看科學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（正常來說應該都表達）。

也就是說，我們中學生物學的孟德爾遺傳定律，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鍵：

印記基因對哺乳動物胎兒的生長和行為發(fā)育起著至關重要的作用，異常表達可能會導致個體出現(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，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，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?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“性別轉化”，即模仿精子的行為。

然后，將完成轉換的卵母細胞與另一只雌鼠的卵細胞結合，誘導胚胎發(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