中科院实现哺乳动物同性繁殖：雌性小鼠完全健康 雄性早夭

数百万年来，处于进化树顶端的高等动物有着固有的经典生殖规律，即依靠精子和卵子结合维系着种族繁衍。目前，这一经典规律或有被打破的可能，中科院动物所的研究团队在小鼠身上率先获得了与正常小鼠无异的孤雌生殖小鼠，同时首次看到了孤雄小鼠能存活至出生后48小时。

10月11日，上述研究成果发表在国际学术期刊Cell Stem Cell 。该研究工作由中科院动物所和中科院干细胞与再生医学创新研究院完成，动物所研究员胡宝洋、周琪和李伟为论文的共同通讯作者，博士后李治琨、王乐韵，博士生王立宾、袁雪薇以及副研究员冯桂海为共同第一作者。

印记修饰能够全跨越同性生殖障碍，孤雌小鼠完全正常、孤雄小鼠能存活但早夭。

所谓的孤雌生殖，即即不经过与雄性的交配，雌性个体即可生下后代。作为有性生殖的补充，孤雌生殖能在缺乏雄性的情况下，维持个体的繁衍与种群的更新。

实际上，孤雌生殖的现象在动物中并不罕见，例如在爬行类的蜥蜴、两栖类的蛙，以及多种鱼类中均存在。不过，与孤雌生殖对应的孤雄生殖则极其罕见，迄今只在一种斑马鱼中发现孤雄生殖。

然而，对于高等哺乳动物来说，无论是孤雌生殖还是孤雄生殖都不存在。科学家们人工构建出的孤雌或孤雄胚胎均在发育早期死亡。上世纪80年代，德国马普所Davor Solter和剑桥Azim Surani等实验室通过核移植实验证明，只有同时具备双亲染色体的老鼠胚胎才能存活，这表明父源和母源基因组对于胚胎发育的贡献存在不对称性。

敲掉阻碍孤雌生殖的三把“枷锁”

此前有研究提出，在爬行类和两栖类不存在、而在哺乳类进化出来的印记基因被认为是阻碍哺乳动物同性生殖的重要因素。通俗来说，印记基因就像哺乳动物的性别“枷锁”，想要冲破性别障碍，就要在印记基因上琢磨突破口。

目前已经发现的印记基因超过100个，随机分布于染色体的数十个区段上，表达模式由印记控制区段的差异甲基化来控制。

东京农业大学Kono实验室曾在未成熟卵中删除了2个印记控制区段，即H19和IG，就成功得到了活的孤雌小鼠。这也是全球实验室中首次实现了哺乳动物的孤雌生殖，曾引起广泛关注。

然而，许多新的科学问题也随之而来：为什么在众多印记区段中，仅仅改变两个即可实现孤雌生殖？这些孤雌小鼠为什么有发育缺陷？孤雄生殖有可能在最高等的哺乳动物中实现吗？

中国科学院动物研究所研究团队结合单倍体（仅有一套染色体）干细胞技术和基因编辑技术对这些问题进行探索。

研究团队首先发现，由卵细胞建立的孤雌单倍体干细胞，在高代次条件下，利用基因编辑技术删除与Kono实验室相同的两个印记区段。随后，研究人员将它们注射进第二个卵细胞。最终成功地发育得到“两个母亲”作为亲本的后代，即孤雌小鼠。

研究人员进一步，高代次的孤雌单倍体细胞展现出了一种不同于卵子或较低代次细胞，反而类似原始生殖细胞的全基因组甲基化模式，且所有的印记区段都呈现出类似原始生殖细胞的“无印记”状态。

论文中指出，这就解释了为何“仅仅删除2个”印记区段，就能获得孤雌小鼠：实际上，所有继承自卵细胞的印记基因，在孤雌单倍体干细胞中都经历了印记模式的“重新修正”。 即孤雌单倍体干细胞实现了“性别逆转”，使得它们在基因形态上具有精子特征。

不过，仅改动两个印记区段并不是成功的终点。和Kono获得的孤雌小鼠一样，中科院动物所的研究团队通过上述方法获得的孤雌小鼠也存在多种缺陷异于“正常”：这些小鼠寿命延长，但生长速度缓慢、焦虑难安。

研究团队最终发现，在孤雌小鼠中还存在另一把“枷锁”，即印记基因Rasgrf1。他们之前获得孤雌小鼠其他所有印记基因都与正常小鼠无异，但印记基因Rasgrf1表达显著异常。

研究人员在孤雌单倍体干细胞中同时删除了H19、IG和Rasgrf1三个印记区段后，最终首次获得了在发育、行为、代谢和生育力上均与正常小鼠无异的孤雌小鼠。

和正常小鼠无异的孤雌小鼠及其后代。

首次实现哺乳动物孤雄生殖

研究团队用同样的实验设计尝试获得孤雄小鼠。

在由精子建立的孤雄单倍体干细胞中，研究人员同样发现了类似原始生殖细胞的甲基化模式。这意味着，在低等脊椎动物中罕见的孤雄生殖，有可能在哺乳动物中实现。

研究人员在孤雄单倍体干细胞中，首先筛选并删除了6个重要的印记控制区段（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg36）。这些细胞与另一颗精子所形成的孤雄胚胎成功获得了后代。然而，这种个体存在很多健康问题并不能存活。

研究团队将第7个重要印记基因（Gnas）精确修饰后，结果进一步改善。

不过，和前述最终获得的健康正常的孤雌小鼠依然有所区别。删除7个印记基因的孤雄小鼠虽然外观正常、可以自主呼吸，但仍存在很多健康问题，都在出生后48小时内死亡。

虽然存活时间较短，但该项研究也是首次获得了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。

研究团队提到，更完善的印记修饰能够完全跨越孤雌生殖障碍，获得健康发育的孤雌动物。得到孤雄小鼠则需要更多的印记修饰，而所有的孤雄小鼠均无法存活至成年，意味着相比孤雌生殖，孤雄生殖有着更多的障碍。

研究团队认为，哺乳动物同性生殖此番在实验室中获得了成功，对理解基因组印记的进化、调控和功能具有重要意义，对于开发新的动物生殖手段也有重要价值。

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