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生育从此告别两性?中国科学家实现哺乳动物的同性生殖

医疗专业人才网 麟越医生速聘 发布时间: 2018/10/16 17:05:20

 10月11日发表在《Cell Stem Cell》上的一篇论文显示,中国北京中科院动物研究所研究人员突破了哺乳动物同性生殖障碍,利用两只雌鼠DNA成功培育出了健康幼鼠,其中一些幼鼠已经成年并有了自己的后代。另外,研究人员在世界范围内首次获得了具有两个父系基因组的孤雄小鼠,实现了哺乳动物的孤雄生殖。研究表明在技术上,同性生殖的生物障碍是可以克服的。

 

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基因印记

大自然中,不少爬行类、两栖类雌性动物可以在不交配的前提下依靠自己就能生育下后代,例如一些蜥蜴、青蛙,甚至鱼在没有雄性的情况下也能生育后代,这称为“孤雌生殖”,另外还有极其罕见的“孤雄生殖”,迄今为止科学家们只在一种斑马鱼中发现了这一现象。然而对于哺乳动物,这两种生殖方式都不存在,哺乳动物需要异性成员共同来创造下一代。

“这里面有一个障碍,就是基因印记”,剑桥大学发育生物学家Azim Surani表示。基因印记是一种在哺乳动物(以及开花植物)中发现的一种进化特征,是一种附着在DNA上负责关闭基因表达的化学标签,通常发生在精子和卵子的发育过程中,研究人员认为它可以阻止这些物种在缺乏母亲(母本)或父亲(父本)DNA 的情况下产生后代。

目前发现了大约100 个基因属于基因组中的“印记”基因,这些基因的两份拷贝中只有一个是激活的,而另一个是沉默的,即只表达父源或者母源的等位基因。例如编码胰岛素的生长因子 2(IGF2 / Igf2)基因,只有来自父亲的IGF2基因能够表达,而来源于母亲的IGF2基因虽然序列无异,但是却处于关闭状态。

另外,研究发现,当在胚胎中结合两个相同的标记基因时,即只拥有这个基因的母源拷贝或父源拷贝,那么就会出现胚胎生长发育障碍,甚至是胚胎死亡。这意味着,只有同时携带父母双方的染色体才能实现互补,后代才能正常发育,这正是同性来源的胚胎无法正常发育的关键。

删除标签

为了克服这一障碍,北京中科院发育生物学家周琪及其团队使用了实验室培育的单倍体胚胎干细胞,这些细胞由精子或卵细胞培养而得,染色体数量只有体细胞的一半——与生殖细胞不同的是,它不包含任何使基因沉默的基因组印记,因此那些在通常情况下促使某些基因关闭的 DNA 标记已被去除。

 

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研究人员使用CRISPR-Cas9“分子剪刀”来将这些基因区域分批删除以寻找在不中止健康胚胎生产的情况下可被移除的基因组。对于雌性小鼠,研究人员删除了三个基因区域,并将改变后的干细胞与另一只雌性小鼠未改变的未成熟卵子结合起来,插入代孕鼠中进行发育。而对于雄性小鼠,事实证明要难一些,必须剪掉七个区域。研究小组将精子和单倍体胚胎干细胞输注到一个没有细胞核的未成熟卵细胞中。起初,研究人员发现,如果将这个改良的卵子插入子宫,它并不会生长,因此他们不得不在将发育中的幼仔插入代孕鼠体内之前,先在子宫外培育幼仔的生长。这种困难在一定程度上是预料之中的,论文第一作者指出,雄性在没有雌性参与的情况下生产在自然界是极其罕见的。“在开始这项工作之前,我们甚至不知道父系繁殖是否可以被跨越。”

最终科学家们成功地从中两只雌性小鼠210 个胚胎中培育出29只健康幼鼠,其中7只后来有了自己的幼仔;从两只雄性小鼠477 个胚胎中培育出12只幼鼠,但这些幼鼠很快出现呼吸困难、组织积液等问题,最终仅存活了2天。不过这是人类首次获得具有两个父系基因组的孤雄小鼠,证实了即便在最高等的哺乳动物中,孤雄生殖也有可能实现。

周琪表示,研究结果揭示出了一些阻止哺乳动物同性繁殖的最重要的基因区域,通时提供了“在同性哺乳动物之间繁衍后代的一种全新而清晰的方式”。

高风险、道德问号

这已经不是人类第一次让两只雌性小鼠产下后代了,2004年,日本研究人员宣布使用类似基因编辑的技术首次从双雌鼠中得到了后代。“不过他们走的更远,”夏威夷大学Monika Ward谈到这项新研究时表示,他们不仅试图改进这种方法,使用了单倍体胚胎干细胞,并将其用到了雄性小鼠身上,而且他们还试图分辨去除各种印记区域的影响。

总的来说,审阅论文的研究人员称赞了这项工作的严谨性。“我无法想象让他们做更多的事情,” Behringer 表示,不过目前尚不清楚这种方法在未来将如何使用,以及它对人类可能意味着什么,许多科学家对这项技术能否应用于人类持怀疑态度。

以色列魏茨曼科学研究所分子遗传学家Jacob Hanna表示:“即使不是全部,但他们培育出来的大多数胚胎仍然是异常的,无法存活。”研究中同雌性的胚胎成功率仅为14%,同雄性的则仅为2.5%。“我认为这几乎不可能被允许用于临床”。

马里兰州巴尔的摩市卡内基科学研究所生殖生物学家Allan Spradling表示,目前还没有任何指标、证据能表明这些小鼠的正常程度,比如它们对疾病的易感程度如何等。 “我不认为人们会觉得基因上有两个母亲或两个父亲是正常的,我们对此还不太了解,如果走得太远可能太冒险了。”

“进行基因靶向,有可能会出现一些意想不到的副作用。你可能会改变其他你不想改变的序列,并且基因组中的这些变化是代代相传的。” Surani表示,尽管来自两只雌鼠的幼崽大部分生长正常,并且也有了自己的幼仔,但它们未来可能仍会遇到一些还未被发现的生长发育问题,并且目前也还不清楚为什么雄性的幼崽死得这么快。另外,研究也说明雄性的基因需要大量的操作才能使胚胎充分发育。

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