谷 君 说

在过去十年左右的时间里，科学家们已通过操纵印记基因组区域---在那里，DNA的表观遗传修饰将某些基因的表达限制在一个亲本的拷贝中---培育出由两只雌鼠作出遗传贡献的小鼠幼仔。

哺乳动物孤雄生殖

文/towersimper

如今，在一项新的研究中，来自中国科学院动物研究所、中国科学院干细胞与再生医学创新研究院、中国科学院大学和东北农业大学的研究人员对之前通过利用两只雌鼠培育出看似能够正常生长的小鼠（所产生的这些小鼠能够活到有它们自己的幼仔）的研究进行改进。

他们采用一种类似的策略构建出由两只雄鼠产生的胚胎，不过它们的后代在出生后不能够存活很长时间。

相关研究结果于2018年10月11日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions”。

论文通信作者为中国科学院动物研究所胡宝洋（Bao-Yang Hu）研究员、周琪（Qi Zhou）研究员和李伟（Wei Li）研究员。

图片来自Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2018.09.004。

荷兰拉德堡德大学生物学家Hendrik Marks（未参与这项研究）说，“这基本上是首项研究表明你能够利用两只雄鼠产生小鼠后代。”

众所周知，基因组印记是比较重要的，这是因为在此之前构建双母本胚胎（bimaternal embryo，也称双母亲胚胎）和双父本胚胎（bipaternal embryo，也称双父亲胚胎）是比较困难的。

他补充道，“但是如今[这些作者]实际上能够产生这些小鼠，这是一个起点。你能够开始研究每个印记基因并探寻它是如何发挥作用的。”

2012年，中国科学院的周琪课题组和赵小阳（Xiao-Yang Zhao）课题组通过将单个精子注射到没有细胞核的卵子中而构建出具有正常染色体数量一半的小鼠胚胎干细胞（Nature, 18 October 2012, doi:10.1038/nature11435）。

2013年，他们利用未受精的卵子构建出单倍体胚胎干细胞（Cell Research, 2013, doi:10.1038/cr2013126）。

2015年，他们将孤雌单倍体胚胎干细胞（parthenogenetic haploid embryonic stem cell, phESC）注射到小鼠卵母细胞中，从而培育出由两只雌鼠作出遗传贡献的小鼠后代，即双母亲小鼠（Cell Research, Published online:18 December 2015, doi:10.1038/cr2015151）。

尽管所产生的小鼠后代能够繁殖，但是它们总体上比野生型小鼠小。

在这项新的研究中，胡宝洋课题组、周琪课题组和李伟课题组想要对这种培育双母亲小鼠的方法加以改进，利用它们的单倍体胚胎干细胞构建首批双父亲小鼠。

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胡宝洋研究员在发送给《科学家》杂志的电子邮件中写道，“最大的挑战是我们并不知道双父本繁殖（bipaternal reproduction, 也称双父亲繁殖，孤雄繁殖）”在小鼠中是否是可行的。

他补充道，“双母本繁殖（bimaternal reproduction, 也称双母亲繁殖，孤雌繁殖），在自然界的脊椎动物中是很常见的，比如两栖动物，爬行动物和鱼类。"

然而，由两只雄性动物成功地进行繁殖是非常罕见的，仅在利用斑马鱼开展的实验室实验中得到证实。

这些研究人员发现利用在两个印记基因组区域中发生基因缺失的孤雌单倍体胚胎干细胞培育出的双母亲小鼠在行为测试中表现异常并且具有较小的身材。

为了让它们更接近于正常的小鼠，他们随后剔除了位于Rasgrf1基因上游的第三个长12.1kb的印记基因组区域。

他们选择Rasgrf1基因是因为它在野生型成年小鼠和双母亲成年小鼠的大脑中差异性地表达。

很显然，他们的选择是正确的。由此产生的双母亲小鼠后代正常地生长，而且在行为测试中与对照小鼠没有差别。

为了解决双父亲胚胎的问题，这些研究人员回到了他们在2012年完成的那项研究（Nature, 18 October 2012, doi:10.1038/nature11435）。

在那项研究中，他们通过将精子注射到没有细胞核的卵子中而构建出孤雄单倍体胚胎干细胞（androgenetic haploid embryonic stem cell, ahESC）。

当他们将其中的一个孤雄单倍体胚胎干细胞和另一个精子插入到新鲜的没有细胞核的卵子中时，胚胎发育开始发生。

但这些胚胎在第8天左右停止生长，此后不久胎盘也停止生长。

因此，这些研究人员转向了一种称为四倍体胚胎互补（tetraploid complementation）的技术，这种技术促进由胚胎干细胞产生的胚胎中的胎盘发育。

他们从双父亲胚胎中获得二倍体胚胎干细胞，在让这些二倍体胚胎干细胞长成胚泡（blastocyst）后，他们将另一个孤雄单倍体胚胎干细胞注入胚泡中。

即使采取了额外的步骤，这些研究人员也必须剔除7个之前已经证实影响胚胎发育的印记基因组区域，才能成功培育出双父亲小鼠幼仔。

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仅少剔除一个印记基因组区域就会导致所产生的双父亲小鼠幼仔在出生后因呼吸问题而快速地死亡，它们在体重上是野生型小鼠幼仔的两倍并且全身肿胀。

缺失这7个印记基因组区域的双父亲小鼠幼仔仍然比野生型小鼠幼仔略大，并且在出生后不久就死亡，不过其中的两只双父亲小鼠幼仔的寿命超过48小时。

胡宝洋研究员告诉《科学家》杂志，“为了获得活的双父亲小鼠，我们需要剔除6个以上的印记基因组区域，这意味着与双母亲繁殖相比，双父亲繁殖需要克服更多的障碍。”

使用这些策略中的任何一种构建双父亲胚胎或双母亲胚胎都是低效的。

仅大约14%的尝试产生了双母亲胚胎，仅2.5%的四倍体胚胎互补尝试产生了缺失7个基因（即Nespas、Grb10、Igf2r、Snrpn、Kcnq1、Peg3和Gnas）的双父亲胚胎。

美国波士顿儿童医院生物学家Yi Zhang（未参与这项研究）说，“这篇论文的最为重要的部分是他们成功地培育出双父亲胚胎并且让它们发育成型。”

然而，鉴于存在效率低下、双父亲小鼠幼仔较短的寿命以及关于双母亲小鼠健康状况的未知因素等问题，他提醒道，这些研究人员的策略在人体中的“实际应用仍然很远”。

如今，哺乳动物孤雌生殖和孤雄生殖已在实验室中获得了成功。尽管存在着上述提及的这些问题，但是鉴于科学仍在不断发展，我们有朝一日将能够破解关于生命和人类自身的奥秘。

参考资料：

First Mouse Embryos Made from Two Fathers

原始出处：

Zhi-Kun Li, Le-Yun Wang, Li-Bin Wang et al.Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions. Cell Stem Cell, Published Online: 11 October 2018, doi:10.1016/j.stem.2018.09.004.