同性生子成为现实：中科院学者实现“男男”小鼠繁殖

一只拥有两位父亲的小鼠幼崽。图片来源：王乐韵/中国科学院

原作  ANDREW JOSEPH

翻译  魏潇

10 月 11 日，来自中国科学院动物研究所的学者们通过一篇发表在 Cell Stem Cell 上的论文向世界宣告，他们突破了哺乳动物同性生殖障碍，成功地培育出拥有两位生物学父亲的小鼠幼崽，这是世界范围内首次实现的哺乳动物孤雄生殖。

研究人员还成功培育出了拥有两位生物学母亲的小鼠幼崽。这些幼崽能够发育成熟并拥有自己的后代，这一成就超过了之前日本学者创造出的双母小鼠（bimaternal mice）。

“这项研究向我们展示了一种新的可能。”论文的通讯作者、中国科学院动物研究所的李伟研究员这样表示。

耶路撒冷希伯来大学阿兹利里干细胞和遗传研究中心主任 Nissim Benvenisty 博士则表示，“在哺乳动物身上还可以有这样的操作，这真的超出了我们的想象。”

印记基因的奥秘

这项“神操作”的奥秘在于“ 基因组印记 ”（ genomic imprinting），这是一种在哺乳动物（以及开花植物）中发现的一种进化特征，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。

在我们的基因组中，每个基因都有两份拷贝——一份来自母亲，一份来自父亲。我们之所以成为我们，是这两者同时表达的结果。但是也有大约 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。

乔治城大学的进化生物学家 Manus Patten 表示，“印记基因沉默的那份拷贝没有被删除，它的 DNA 序列也没有被改变——它只是被关闭了。”

尽管如此，哺乳动物在生长发育的过程中仍然需要印记基因的全套拷贝，从而获得完整的遗传指令。例如，IGF2 是对生长发育至关重要的基因，但通常情况下只有它的父源拷贝是激活的。如果我们只拥有这个基因的母源拷贝，那么我们就会出现生长发育障碍——因为母源拷贝不具备功能活性。反之亦然：许多基因只有母源拷贝是活跃的，我们无法只依靠沉默的父源基因存活下去。

但科学家们在十五年前开始挑战这项大自然的法则——诱导某些母源基因表现出与父源基因一样的激活或沉默状态，或者反过来使父源基因的活性与母源基因相同。

一只健康的成年双母小鼠（由两位母亲生下），和她自己的后代。图片来源：王乐韵/中国科学院

扭转精子和卵子的“性别”

2004 年，日本研究人员首次通过扭转印记信号的方法培育出了拥有两位母亲的小鼠，不过他们的成功率并不高：400 多个胚胎只诞生了 10 只小鼠幼崽，而这 10 只幼崽中只有一只成功发育为成年鼠。

为了改进过去的结果，在这项新研究中，研究人员更广泛地改变了印记基因的表达。

双母小鼠是从一个含有雌性小鼠 DNA（1号母亲）的胚胎干细胞开始的。这种细胞相当于卵子或精子，因为它们是单倍体——也就是说，它的染色体数量只有体细胞的一半——但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。干细胞的生长方式使得那些在通常情况下促使某些基因关闭的 DNA 标记已被去除。

然后科学家们更进一步，使用基因编辑工具 CRISPR 从改细胞的基因组中删除了三个关键的印迹基因区域（H19，IG 和 Rasgrf1）。最后，他们将经过改造的细胞注射到另一只雌性小鼠（2号母亲）的卵细胞中，模拟受精过程。

在以这种方式创造的 210 个胚胎中，29 只小鼠顺利出生——占比14％。这些小鼠表现正常，也拥有符合常规的基因表达模式。研究表明，通过删除这些印记区域，研究人员成功地诱导源自 1 号母亲的孤雌单倍体干细胞表现出了精子的基因形态特征。

“这是非常复杂的方法，”Benvenisty 说。

培育双父小鼠的步骤则更加复杂。

研究人员也是从单倍体胚胎干细胞开始，不过这次的单倍体干细胞包含来自 1 号父亲的父源 DNA，其中 7 个印记基因区域（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg3 和 Gnas）被删除。然后，他们将被改造的细胞和另一只小鼠（2 号父亲）的精子一起注射到已经去除细胞核的卵子中。最后，将这些胚胎转移到代孕母鼠体内。通过这种形式获得的胚胎并不包含母源遗传信息，但雌性小鼠的代孕过程仍然是胚胎发育过程中不可或缺的一个环节。

在 477 个胚胎中，只有 12 只双父小鼠出生，并且只有 2 只存活时间超过两天。研究人员测量了这些幼崽的基因活性，发现一些印迹基因并没有像母源基因那样拥有表达活性。

宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学教授 Marisa Bartolomei 说：“我们目前还创造不出具备生存活力的双父小鼠。因为它们的印记基因没有得到正确的表达。”

目前，这类研究必将面对技术、法律和道德规范的限制。不过除此之外专家还指出了另一个问题：在这项研究中，拥有两位母亲的雌性小鼠与普通雄性交配并生下了 22 只幼崽，其中 9 只夭折。如果研究人员创造了一个来自两个母亲或两个父亲的女儿，我们目前还并不清楚她的下一代是否会受到这种遗传操作的影响。

就目前而言，在人类中成功复制这项研究的想法仍然只能停留在科幻小说里。不过，未参与此项研究的科学家表示，一直以来我们只知道一些爬行动物、鱼类和两栖动物能够进行无性生殖，而这项研究具有独特的启发性。它提供了额外的证据，证明基因组印记是阻止哺乳动物通过非有性生殖的方式获得后代的重要参与者。