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陳根：無需精子，小鼠就可以生殖？

2022.03.11

文/陳根

眾所周知，哺乳動(dòng)物是有性生殖的動(dòng)物，需要經(jīng)過交配，精子和卵子進(jìn)行結(jié)合才可以生衍繁殖，當(dāng)然，自然界中還存在除了有性生殖以外的生殖方式，比如孤雌生殖，即卵在不經(jīng)過受精的情況下也能發(fā)育為正常的個(gè)體，也就是不需要雄性個(gè)體參與，單獨(dú)的雌性就可以實(shí)現(xiàn)繁殖。

事實(shí)上，孤雌生殖在自然界中并不算少見，甚至在脊椎動(dòng)物中也有許多，蜥蜴、青蛙和魚類都可進(jìn)行孤雌生殖，現(xiàn)在，基于基因編輯，來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬濟(jì)仁醫(yī)院等單位在小鼠身上也實(shí)現(xiàn)了孤雌生殖。研究人員用單個(gè)卵細(xì)胞創(chuàng)造出了健康的小鼠。生下來的小鼠不僅活到了成年，還有了自己的后代。

具體來看，實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵來自于小鼠體內(nèi)的印記基因。要知道，高等動(dòng)物，進(jìn)行有性生殖的一個(gè)重要原因，就是保證基因多樣性，因此，哺乳動(dòng)物還專門進(jìn)化出可以區(qū)分精子和卵細(xì)胞的基因組，叫做印記基因（genomic imprinting）。這些基因會(huì)在正常受精過程中讓受精卵的某些等位基因一個(gè)表達(dá)而另一個(gè)沉默。

有些基因只有來自父親的等位基因表達(dá)，有些則只有來自母親的等位基因表達(dá)，也就是所謂的基因組印記，這種基因組印記是通過表觀遺傳學(xué)的甲基化實(shí)現(xiàn)的，基因組印記的存在，阻礙了孤雌生殖的實(shí)現(xiàn)。從進(jìn)化的角度講，印記基因是精子和卵子的基因互相博弈的結(jié)果，以求達(dá)到一種微妙的平衡。

因此，想要實(shí)現(xiàn)僅需單個(gè)卵細(xì)胞就創(chuàng)造出健康小鼠的一個(gè)最直白的方法，就是敲除小鼠的印記基因。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(dá)，另一些基因沉默。究其原因，基因的甲基化能影響轉(zhuǎn)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(xì)胞模擬出接受精子后的正常受精狀態(tài)。

為此，研究團(tuán)隊(duì)最終在未減數(shù)分裂的卵母細(xì)胞中確定了7個(gè)需要被表達(dá)或沉默的基因，其中2個(gè)是父系印記基因，5個(gè)是母系印記基因。其中，2個(gè)父系基因組印記H19和Gtl2在表達(dá)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)抑制代謝活動(dòng)、不生成蛋白質(zhì)，從而讓胚胎無法正常發(fā)育。

因此，研究團(tuán)隊(duì)使用CRISPR-dCas9通過Dnmt3a甲基化酶，將這兩個(gè)基因的控制區(qū)域進(jìn)行了甲基化。而5個(gè)母系基因組印記控制區(qū)域Igf2r、Snrpn、Kcnq1ot1、Nespas和Peg10如果不表達(dá)，則會(huì)出現(xiàn)胚胎致死、或是嚴(yán)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(shí)現(xiàn)了這5個(gè)基因控制區(qū)域的去甲基化。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員構(gòu)建出了389個(gè)孤雌胚胎。經(jīng)過人工激活，其中227個(gè)為可培育的重構(gòu)卵母細(xì)胞。在體外培養(yǎng)后，有192個(gè)卵母細(xì)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(zhuǎn)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(shí)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(huì)遺傳給下一代。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究結(jié)果表明，可以通過對(duì)多個(gè)關(guān)鍵基因組印記控制區(qū)域的表觀遺傳重寫來實(shí)動(dòng)物的孤雌生殖。雖然這類研究著眼于單性生殖，但這也驗(yàn)證了基因編輯的巨大潛力，也為農(nóng)業(yè)、科研和醫(yī)學(xué)研究開辟了新的道路。

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