[科普中國]-中國科學(xué)家首創(chuàng)孤雄小鼠震驚世界：難道生育將從此告別兩性？

作者：鬼谷藏龍

編輯：Yuki

就在前不久，兩只剛出生的小鼠突然成名網(wǎng)絡(luò)——不是因?yàn)樗鼈兲蓯哿?，而是因?yàn)樗鼈兪? 世界上首例由兩只雄性產(chǎn)生的哺乳動(dòng)物幼崽 。

不了解的人大概會(huì)問：這有啥稀奇的？同性繁殖在動(dòng)物界不也很常見嘛！小強(qiáng)（蟑螂）不是沒有雄性也能繁殖？一些兩棲動(dòng)物和魚類還能自由切換爹媽角色呢……

確實(shí)，很多動(dòng)物都有同性繁殖的現(xiàn)象，但對(duì)于哺乳動(dòng)物而言，這還真不是個(gè)簡單事兒—— 迄今為止，沒有任何哺乳動(dòng)物能在自然情況下實(shí)現(xiàn)同性間繁殖后代 。

而早在上世紀(jì)七八十年代，就有科學(xué)家偏偏不信這個(gè)邪，他們一定要看看把兩個(gè)哺乳動(dòng)物精子或兩個(gè)卵子合在一起會(huì)發(fā)生點(diǎn)啥——結(jié)果這些同性胚胎頭幾天好像還在正常發(fā)育，但是發(fā)育到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)一道迷之結(jié)界，使它們紛紛“胎死腹中”。

這樣的現(xiàn)象讓科學(xué)家們大為不解，也深感興奮！為啥哺乳動(dòng)物就這么特殊？嗯，我們一定要搞清楚……

（嗯，我們一定能搞清楚……）

印記基因： 阻止同性生育的分子壁障

一位來自南斯拉夫的科學(xué)家達(dá)沃爾·索特（Davor Solter），在 1988年首次找到了這個(gè)問題的答案，也因此榮獲了今年的蓋爾德納國際獎(jiǎng) 。他發(fā)現(xiàn)，是一種叫做“印記基因”的存在，為哺乳動(dòng)物同性生育架設(shè)了高高的壁壘。

（達(dá)沃爾·索特（Davor Solter），印記基因的發(fā)現(xiàn)者。圖：ie-freiburg.mpg.de/solter-gairdner2018）

那么，哺乳動(dòng)物為什么要有這樣的“壁壘”呢？還不是因?yàn)橥揠y帶嘛……

其他動(dòng)物生了娃（蛋）大多不是拍拍屁股走了就是雌雄一起撫養(yǎng)孩子，但哺乳動(dòng)物的幼崽就麻煩多了——胚胎時(shí)期懷在肚子里要吸收營養(yǎng)，出生了還要繼續(xù)靠吃奶來吸收營養(yǎng)，關(guān)鍵是，這些營養(yǎng)全部由雌性一方承包，雄性在這個(gè)過程中卻大多僅需要貢獻(xiàn)一點(diǎn)精子。 這種巨大的育兒投入上的差異促使哺乳動(dòng)物的兩性采取了截然不同的繁殖策略 。

對(duì)于雌性來說，生養(yǎng)大胖小子無疑會(huì)大量損耗自身精力，所以它們采取了“留得青山在，不怕生二胎”的策略——對(duì)卵子當(dāng)中的基因動(dòng)一系列的手腳， 增強(qiáng)那些能夠阻滯胚胎發(fā)育的基因 ，同時(shí)抑制那些能夠促進(jìn)胚胎發(fā)育的基因，盡力讓孩子發(fā)育得相對(duì)瘦弱一些。

然而對(duì)于雄性來說，孩子長得壯壯的以后才能挨得起餓扛得了揍，對(duì)于是否好生養(yǎng)似乎不是特別關(guān)心。所以雄性也會(huì)對(duì)精子當(dāng)中的基因做一系列相反的手腳， 拼命去促進(jìn)胚胎發(fā)育 。

于是，一邊是雌性希望幼崽變?nèi)踝冃∽兠龋硪贿吺切坌韵Ｍ揍套兇笞儔炎儚?qiáng)……經(jīng)過一億多年這樣的兩性斗爭，哺乳動(dòng)物卵子和精子中的基因都被矯枉過正到了非常極端的地步，這反而讓精子和卵子的兩套染色體誰也離不開誰了——因?yàn)橐坏┻@個(gè)平衡被打破，無論偏向雌雄哪方都會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育嚴(yán)重失調(diào)，這就是那道同性發(fā)育結(jié)界的本質(zhì)（誠可謂是相愛相殺）。

（父母對(duì)生娃的想法都不統(tǒng)一，娃還能說什么……）

這些在哺乳動(dòng)物雌雄雙方博弈中被動(dòng)過手腳的基因，就像是雙方分別在自己配子基因組中打上的“性別印記”，因此被稱為“ 印記基因 ” [1] 。

孤雌生殖： 逆天改命輝夜姬

不過，索特老爺子僅僅是發(fā)現(xiàn)了“印記基因”，并沒有徹底弄清楚這些“印記”是怎么打上去的，也不知道如何能解開哺乳動(dòng)物同性繁殖的“封印”。

于是，接下來的問題又吸引了一大群科學(xué)家前仆后繼一一其中特別值得一提的是東京農(nóng)業(yè)大學(xué)的友廣川野（Tomohiro Kono）教授。

（友廣川野（Tomohiro Kono），第一只孤雌小鼠的創(chuàng)造者。圖片來源：東京農(nóng)業(yè)大學(xué)官網(wǎng)）

友廣川野早年曾長期研究克隆技術(shù)，并逐漸對(duì)胚胎發(fā)育過程中印記基因的變化產(chǎn)生了興趣。友廣發(fā)現(xiàn)，兩性給基因打上“印記”其實(shí)是一個(gè)跨越整個(gè)性成熟過程的漫長工作。

那么反推過來，動(dòng)物剛剛出生的時(shí)候，就必定有大量的印記基因還沒來得及打上“性別印記”，而這時(shí)候動(dòng)物體內(nèi)尚未發(fā)育成熟的卵子其實(shí)正處在一個(gè)非常接近“ 性別中性 ”的狀態(tài) [2] 。

由此，友廣有了一個(gè)大膽的想法—— 如果利用這種“性別中性”的卵子，是不是就能實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的“孤雌生殖”了呢 ？

這個(gè)主意好!

不過事實(shí)證明，哺乳動(dòng)物的發(fā)育還是比較復(fù)雜，不是說“性別中性”了就能隨意結(jié)合。經(jīng)過大量的摸索，友廣設(shè)計(jì)出了一套“雄性化”小鼠卵子的方法。

如何“雄性化”呢？

首先，友廣培育出了一種經(jīng)過基因改造的母鼠，它們被人為刪除了一個(gè)最強(qiáng)力的雌性印記基因和一些基因元件，使之轉(zhuǎn)而表達(dá)一個(gè)強(qiáng)力的雄性印記基因。

他從這種“雄性化”鼠的幼鼠卵巢里取出不成熟的、還沒打上太多“性別印記”的卵子A，然后用一個(gè)去掉核的正常小鼠卵子B將其“催熟”，于是，一枚表達(dá)類似雄性印記基因的卵子就誕生了。

2004年，他將這些“雄性化”卵子AB和普通的卵子C相融合，終于得到了人類歷史上第一只“孤雌生殖”產(chǎn)生的小鼠 [3] 。

這只創(chuàng)造歷史的小鼠被命名為“輝夜姬”。輝夜姬是日本小說《竹取物語》中一位誕生在竹子里的公主，恰如友廣的小鼠一樣，沒有生物學(xué)意義上的父親。

（日本小說《竹取物語》中一位誕生在竹子里的公主輝夜姬。圖片來源：douban）

（史上第一只孤雌小鼠“輝夜姬”以及它生的孩子。圖片來源：參考資料3）

之后，友廣又不斷改進(jìn)他的方案，最終在2007年用一套刪除兩個(gè)印記基因的方案將“孤雌小鼠”的存活率提高到了15%左右 [4] 。

（孤雌小鼠從此不是稀罕貨。圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

這些“孤雌小鼠”雖然在理論上大大拓展了人類對(duì)于印記基因的理解，但是“雄性化”卵子需要異常繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作——既要制作基因改造的母鼠，又要從初生幼鼠那比針眼還小的卵巢里取卵，想想都不是個(gè)輕松活兒。

那么， 有沒有什么更容易的辦法來獲得沒有“印跡”的配子呢 ？

單倍體胚胎干細(xì)胞： 柳暗花明又一村

說起來，這個(gè)難題的解決竟然和一種腫瘤相關(guān)。

這種腫瘤叫做卵巢畸胎瘤，它是由個(gè)別自以為受精的卵子發(fā)育成的胚胎異變而成。雖然這種胚胎長得不正常，但是里面也含有胚胎干細(xì)胞，它們被稱為“ 孤雌胚胎干細(xì)胞 ”。

2011年，奧地利科學(xué)家約瑟夫·彭寧格（Josef M. Penninger） [5] 與英國科學(xué)家安東·武茲（Anton Wutz） [6] 幾乎同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，有一些孤雌胚胎干細(xì)胞當(dāng)中的遺傳物質(zhì)和卵子一樣保持著單倍體的狀態(tài)，而且利用一些特殊的培養(yǎng)方法，這種單倍體的狀態(tài)是可以長期保持的。這樣的細(xì)胞就是后來對(duì)哺乳動(dòng)物同性繁殖意義重大的“孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞”。

（約瑟夫·彭寧格（Josef M. Penninger，左）與安東·武茲（Anton Wutz，右）兩人幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了小鼠孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞。圖片來源：wikimedia commons&ETH官網(wǎng)）

（建立孤雌胚胎干細(xì)胞系的一種流程。圖片來源：Wei Li et al. (2014) Cell Stem Cell 編譯：鬼谷藏龍）

在之后的研究中，人們發(fā)現(xiàn)，這些孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞的“印記狀態(tài)”和卵子幾乎一模一樣。但是這些“印跡”會(huì)隨著體外培養(yǎng)而逐漸丟失，最終退化到一種類似于幼鼠卵子那樣“性別微弱”的狀態(tài)。

2015年，上海生化細(xì)胞所的李勁松研究員的團(tuán)隊(duì)，將友廣方案中的雄性化幼鼠卵子換成了小鼠孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞，果然也一樣可以生出“輝夜姬”那樣的孤雌小鼠 [9] 。

（只有母親，沒有父親的小鼠發(fā)育一切正常，自己也成功產(chǎn)下了后代（圖片來源：Leyun Wang，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所））

眼看著小鼠的孤雌生殖技術(shù)平步青云，人們不由發(fā)問， 既然孤“雌”有了，“孤雄”哺乳動(dòng)物啥時(shí)候出生呢 ？

雙雄爭孤雄

當(dāng)然了，之前并不是沒人想過去實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物的“孤雄繁殖”，只是“孤雄”比“孤雌”更難做到。雌性天生有卵子，所以能在出生后就獲取，而雄性只有性成熟后才會(huì)產(chǎn)生精子（此時(shí)均為打上“印記”的精子了），所以不能復(fù)制友廣在雌鼠上的操作方案。

而這個(gè)“巧婦難為無米之炊”的難題，在單倍體胚胎干細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)之后才有了新的進(jìn)展——當(dāng)彭寧格與武茲的成果剛一公布，李勁松的研究團(tuán)隊(duì)就馬上想到，既然有辦法讓卵子直接發(fā)育產(chǎn)生成孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞，那么如果我 把卵細(xì)胞核去掉后往里面放一枚精子，不就能拿到孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞了么 ？

（通過向去核卵細(xì)胞注入精子來建立孤雄胚胎干細(xì)胞系。圖片來源：參考資料7，鬼谷藏龍編譯）

不過與此同時(shí)，另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室也想到了這一點(diǎn)，那就是中國北京動(dòng)物所的周琪實(shí)驗(yàn)室。

李勁松和周琪的課題組，研究方向大同小異，在業(yè)界也可謂一時(shí)瑜亮，遇到這個(gè)炙手可熱的項(xiàng)目后，兩組人馬幾乎是在同一時(shí)間用完全相同的思路開啟了完全相同的課題。

在這一輪較量中先拔頭籌的是李勁松實(shí)驗(yàn)室，他們僅僅用了半年就率先制出了小鼠孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞 [7] ，周琪實(shí)驗(yàn)室則過了幾個(gè)月才迎頭趕上 [8] 。

（李勁松（左）與周琪（右）都是國內(nèi)最頂尖的胚胎干細(xì)胞專家之一。圖片來源：生化細(xì)胞所與動(dòng)物所官網(wǎng)）

不出所料，這些孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞保持著精子的“印跡”，在合適的條件下，孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞完全可以像精子那樣，讓卵子受精并正常發(fā)育 [7,8] 。而且，和之前的孤雌單倍體的情況一樣，孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞在培養(yǎng)一段時(shí)間后，其“雄性印記”也會(huì)逐漸退化，使其變成“微弱的”雄性。

（孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞可以像精子一樣給卵子受精，產(chǎn)生后代。圖片來源：參考資料7，鬼谷藏龍編譯）

周琪實(shí)驗(yàn)室已然連敗兩局，唯一扳回一城的希望就是在孤雄小鼠上面搶得先機(jī)了。

孤雄小鼠： 近在咫尺尚未及

如果說孤雌小鼠好歹還有友廣川野的先例可以參考，那么孤雄小鼠就是純粹的從頭摸索了。

理論上來說，將孤雌小鼠的方案“反過來”，刪掉孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞里面的一些雄性印記基因，使之“雌性化”，然后將這樣的細(xì)胞和精子一起注射到去核的卵子當(dāng)中，應(yīng)該就能生出孤雄小鼠來了。話雖沒錯(cuò)，但實(shí)際操作起來往往就是另一回事了。

在之前的研究中，研究人員都發(fā)現(xiàn)，孤雌小鼠畢竟其“雄性印記”比較弱勢(shì)，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)發(fā)育遲緩、體型瘦小等問題，與此同時(shí)，這些小鼠會(huì)意外的長壽。

（發(fā)育不良（右側(cè)兩只）是孤雌小鼠經(jīng)常遇到的問題。圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

周琪的研究團(tuán)隊(duì)首先想要試試看能不能解決這個(gè)問題，這樣也好給未來制作孤雄小鼠積攢一些技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。他們?cè)谟褟V刪除兩個(gè)印記基因的方案基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種刪除三個(gè)印記基因的策略，終于得到了比較正常孤雌小鼠 [10] 。

那么，獲取孤雄小鼠又需要?jiǎng)h除幾個(gè)印記基因呢？周琪團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，刪除了六個(gè)印記基因后，移植到代孕母親子宮內(nèi)的胚胎中也只有1.2%的孤雄小鼠能夠發(fā)育到足月，且生出來的只是一個(gè)外形極不正常的畸形死胎。

與孤雌小鼠恰好相反，孤雄小鼠幼崽表現(xiàn)出了一系列發(fā)育過度的問題 ——有的小鼠腫脹成了一個(gè)肉球，有的內(nèi)臟跑到了體外，還有一些則在胚胎時(shí)期就睜開了眼睛（因?yàn)檠矍蜻^大把眼皮給“撐”開了）。

（孤雄小鼠遭遇的首要問題就是發(fā)育過度，圖中右邊兩只就是長成了“肉球”的孤雄小鼠。圖片來源：參考文獻(xiàn)[10]）

最后，周琪的團(tuán)隊(duì)刪除了七個(gè)印記基因，才終于讓孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞變得足夠“雌性化”，產(chǎn)生形態(tài)上比較正常的小鼠。它們所制作并植入代孕母鼠子宮的477個(gè)孤雄胚胎中，有12個(gè)活到了出生，不過其中大多數(shù)都有嚴(yán)重的浮腫，出生后不久便撒手鼠寰。只有兩只表面上看不出什么問題的孤雄小鼠堅(jiān)持活了48小時(shí)以上。而這，就是目前所能做到的極限了。

（刪除7個(gè)印記基因后，周琪團(tuán)隊(duì)終于得到了外貌比較正常的孤雄小鼠（右側(cè)是它的胎盤）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[10]）

孤雄小鼠被創(chuàng)造出來了嗎？嚴(yán)格來說，并沒有。 周琪的工作，最多只是在理論上證明了孤雄小鼠的可能性。按照正常的操作，只有當(dāng)孤雄小鼠能夠長到成年并產(chǎn)生自己后代，才能算真正意義上實(shí)現(xiàn)“孤雄繁殖”。但無疑，周琪的團(tuán)隊(duì)目前獲得的成果，肯定也已經(jīng)嘗試過很多印記基因的修改方案，傾其所能了。

（造出只有父親，沒有母親的小鼠，可以說是一個(gè)突破。圖片來源：Leyun Wang，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所）

說來也巧，筆者在四年前的這時(shí)候，寫的第一篇科普文章恰好就是講小鼠孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞（詳情點(diǎn)擊文末閱讀原文查看），那個(gè)時(shí)候小鼠孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞剛發(fā)現(xiàn)不久，技術(shù)上還非常青澀，幾乎沒什么人想到以后它可以做出“孤雄小鼠”來。

然后短短幾年間，看著無數(shù)的科學(xué)家“你一針我一線”，把這個(gè)技術(shù)逐漸編織完整，也不由感嘆——他們當(dāng)中沒有誰是帶著要一鳴驚人改變世界的念頭去做研究，許多奇跡就這樣從不經(jīng)意的萌芽中“長”了出來，而且未來還會(huì)繼續(xù)開花結(jié)果。

說到這里，人類迄今為止在探索哺乳動(dòng)物同性生育的故事就基本講完了，然而作為人類科學(xué)史冊(cè)的一部分，這個(gè)故事注定還會(huì)有新的篇章。

作者名片

排版：小爽

題圖來源： Leyun Wang，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所

參考文獻(xiàn)：

1.Solter, D. (1988). Differential imprinting and expression of maternal and paternal genomes. Annual review of genetics, 22(1), 127-146.

2.Obata, Y., Kaneko-Ishino, T., Koide, T., Takai, Y., Ueda, T., Domeki, I., ... & Kono, T. (1998). Disruption of primary imprinting during oocyte growth leads to the modified expression of imprinted genes during embryogenesis. Development, 125(8), 1553-1560.

3.Kono, T., Obata, Y., Wu, Q., Niwa, K., Ono, Y., Yamamoto, Y., ... & Ogawa, H. (2004). Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood. Nature, 428(6985), 860.

4.Kawahara, M., Wu, Q., Takahashi, N., Morita, S., Yamada, K., Ito, M., ... & Kono, T. (2007). High-frequency generation of viable mice from engineered bi-maternal embryos. Nature biotechnology, 25(9), 1045.

5.Elling, U., Taubenschmid, J., Wirnsberger, G., O'Malley, R., Demers, S. P., Vanhaelen, Q., ... & von Melchner, H. (2011). Forward and reverse genetics through derivation of haploid mouse embryonic stem cells. Cell stem cell, 9(6), 563-574.

6.Leeb, M., & Wutz, A. (2011). Derivation of haploid embryonic stem cells from mouse embryos. Nature, 479(7371), 131.

7.Yang, H., Shi, L., Wang, B. A., Liang, D., Zhong, C., Liu, W., ... & Li, D. (2012). Generation of genetically modified mice by oocyte injection of androgenetic haploid embryonic stem cells. Cell, 149(3), 605-617.

8.Li, W., Shuai, L., Wan, H., Dong, M., Wang, M., Sang, L., ... & Wang, L. (2012). Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice. Nature, 490(7420), 407.

9.Zhong, C., Xie, Z., Yin, Q., Dong, R., Yang, S., Wu, Y., ... & Li, J. (2016). Parthenogenetic haploid embryonic stem cells efficiently support mouse generation by oocyte injection. Cell research, 26(1), 131.

10.Li, Z. K., Wang, L. Y., Wang, L. B., Feng, G. H., Yuan, X. W., Liu, C., ... & Li, Y. F. (2018). Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions. Cell Stem Cell.