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生育從此告別兩性?中國科學家實現哺乳動物的同性生殖

醫療專業人才網 麟越醫生速聘 發布時間: 2018/10/16 17:05:20

 10月11日發表在《Cell Stem Cell》上的一篇論文顯示,中國北京中科院動物研究所研究人員突破了哺乳動物同性生殖障礙,利用兩只雌鼠DNA成功培育出了健康幼鼠,其中一些幼鼠已經成年并有了自己的后代。另外,研究人員在世界范圍內首次獲得了具有兩個父系基因組的孤雄小鼠,實現了哺乳動物的孤雄生殖。研究表明在技術上,同性生殖的生物障礙是可以克服的。

 

 

基因印記

大自然中,不少爬行類、兩棲類雌性動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,甚至魚在沒有雄性的情況下也能生育后代,這稱為“孤雌生殖”,另外還有極其罕見的“孤雄生殖”,迄今為止科學家們只在一種斑馬魚中發現了這一現象。然而對于哺乳動物,這兩種生殖方式都不存在,哺乳動物需要異性成員共同來創造下一代。

“這里面有一個障礙,就是基因印記”,劍橋大學發育生物學家Azim Surani表示。基因印記是一種在哺乳動物(以及開花植物)中發現的一種進化特征,是一種附著在DNA上負責關閉基因表達的化學標簽,通常發生在精子和卵子的發育過程中,研究人員認為它可以阻止這些物種在缺乏母親(母本)或父親(父本)DNA 的情況下產生后代。

目前發現了大約100 個基因屬于基因組中的“印記”基因,這些基因的兩份拷貝中只有一個是激活的,而另一個是沉默的,即只表達父源或者母源的等位基因。例如編碼胰島素的生長因子 2(IGF2 / Igf2)基因,只有來自父親的IGF2基因能夠表達,而來源于母親的IGF2基因雖然序列無異,但是卻處于關閉狀態。

另外,研究發現,當在胚胎中結合兩個相同的標記基因時,即只擁有這個基因的母源拷貝或父源拷貝,那么就會出現胚胎生長發育障礙,甚至是胚胎死亡。這意味著,只有同時攜帶父母雙方的染色體才能實現互補,后代才能正常發育,這正是同性來源的胚胎無法正常發育的關鍵。

刪除標簽

為了克服這一障礙,北京中科院發育生物學家周琪及其團隊使用了實驗室培育的單倍體胚胎干細胞,這些細胞由精子或卵細胞培養而得,染色體數量只有體細胞的一半——與生殖細胞不同的是,它不包含任何使基因沉默的基因組印記,因此那些在通常情況下促使某些基因關閉的 DNA 標記已被去除。

 

 

研究人員使用CRISPR-Cas9“分子剪刀”來將這些基因區域分批刪除以尋找在不中止健康胚胎生產的情況下可被移除的基因組。對于雌性小鼠,研究人員刪除了三個基因區域,并將改變后的干細胞與另一只雌性小鼠未改變的未成熟卵子結合起來,插入代孕鼠中進行發育。而對于雄性小鼠,事實證明要難一些,必須剪掉七個區域。研究小組將精子和單倍體胚胎干細胞輸注到一個沒有細胞核的未成熟卵細胞中。起初,研究人員發現,如果將這個改良的卵子插入子宮,它并不會生長,因此他們不得不在將發育中的幼仔插入代孕鼠體內之前,先在子宮外培育幼仔的生長。這種困難在一定程度上是預料之中的,論文作者指出,雄性在沒有雌性參與的情況下生產在自然界是極其罕見的。“在開始這項工作之前,我們甚至不知道父系繁殖是否可以被跨越。”

終科學家們成功地從中兩只雌性小鼠210 個胚胎中培育出29只健康幼鼠,其中7只后來有了自己的幼仔;從兩只雄性小鼠477 個胚胎中培育出12只幼鼠,但這些幼鼠很快出現呼吸困難、組織積液等問題,終僅存活了2天。不過這是人類首次獲得具有兩個父系基因組的孤雄小鼠,證實了即便在等的哺乳動物中,孤雄生殖也有可能實現。

周琪表示,研究結果揭示出了一些阻止哺乳動物同性繁殖的重要的基因區域,通時提供了“在同性哺乳動物之間繁衍后代的一種全新而清晰的方式”。

高風險、道德問號

這已經不是人類次讓兩只雌性小鼠產下后代了,2004年,日本研究人員宣布使用類似基因編輯的技術首次從雙雌鼠中得到了后代。“不過他們走的更遠,”夏威夷大學Monika Ward談到這項新研究時表示,他們不僅試圖改進這種方法,使用了單倍體胚胎干細胞,并將其用到了雄性小鼠身上,而且他們還試圖分辨去除各種印記區域的影響。

總的來說,審閱論文的研究人員稱贊了這項工作的嚴謹性。“我無法想象讓他們做更多的事情,” Behringer 表示,不過目前尚不清楚這種方法在未來將如何使用,以及它對人類可能意味著什么,許多科學家對這項技術能否應用于人類持懷疑態度。

以色列魏茨曼科學研究所分子遺傳學家Jacob Hanna表示:“即使不是全部,但他們培育出來的大多數胚胎仍然是異常的,無法存活。”研究中同雌性的胚胎成功率僅為14%,同雄性的則僅為2.5%。“我認為這幾乎不可能被允許用于臨床”。

馬里蘭州巴爾的摩市卡內基科學研究所生殖生物學家Allan Spradling表示,目前還沒有任何指標、證據能表明這些小鼠的正常程度,比如它們對疾病的易感程度如何等。 “我不認為人們會覺得基因上有兩個母親或兩個父親是正常的,我們對此還不太了解,如果走得太遠可能太冒險了。”

“進行基因靶向,有可能會出現一些意想不到的副作用。你可能會改變其他你不想改變的序列,并且基因組中的這些變化是代代相傳的。” Surani表示,盡管來自兩只雌鼠的幼崽大部分生長正常,并且也有了自己的幼仔,但它們未來可能仍會遇到一些還未被發現的生長發育問題,并且目前也還不清楚為什么雄性的幼崽死得這么快。另外,研究也說明雄性的基因需要大量的操作才能使胚胎充分發育。

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