男男生子成真！多能干细胞技术助中国科学家培育出“双父”小鼠
男男生子成真！多能干细胞技术助中国科学家培育出“双父”小鼠
两个鼠爸爸也能生出鼠宝宝？现在，中国科学家们做到了，而且宝宝还活到了成年。《细胞·干细胞》杂志29日报道了一项哺乳动物单性生殖的重要进展。中国科学院动物研究所周琪研究员、李伟研究员、李治琨副研究员以及中山大学骆观正教授等利用胚胎干细胞工程技术，成功让两个鼠爸一起“生”出鼠宝宝，并且小鼠创纪录地活到了成年。
有性生殖与印记基因
普通哺乳动物的生殖过程是典型的有性生殖方式。在这种生殖方式中，后代的产生依赖于雌性和雄性双方的生殖细胞——卵子和精子。具体来说，雌性哺乳动物的卵巢会产生卵子，而雄性哺乳动物的睾丸会产生精子。当精子与卵子结合时，形成一个受精卵，这个受精卵包含了来自父母双方的遗传信息。受精卵随后会开始分裂和发育，最终形成一个新的个体。
在这个过程中，父母双方的遗传信息是至关重要的。每个个体的细胞中都包含两套染色体，一套来自母亲，一套来自父亲。这两套染色体上的基因共同决定了个体的性状，包括外貌、生理特征和行为等。
在双方染色体这茫茫多的基因信息上，有一类特殊的基因起着关键作用，它们被称为印记基因。与普通基因不同，印记基因具有“亲本特异性表达”的特点，即它们只从父本或母本一方表达，而另一方则不表达或表达极弱。
印记基因的发现可以追溯到20世纪90年代初。科学家在研究哺乳动物胚胎发育时发现，某些基因的表达受到亲本来源的影响，即这些基因只从父亲或母亲一方表达。这种现象打破了传统的孟德尔遗传定律，因为按照孟德尔定律，来自父母双方的基因应该平等表达。但是，印记基因的存在确实证明，基因表达并非完全对称，而是受到亲本来源的调控。
正是由于它，单性生殖（如孤雌生殖或孤雄生殖）变得极为困难。印记基因调控着胚胎的生长、组织形成和生理功能的建立，倘若是母源印记基因，则倾向于“缩小”胎儿体积，以适应有限的子宫空间，孤雌小鼠（所有遗传物质来自母亲）因而通常体重较轻，寿命较长；父源印记基因会通过“增大”胎儿体积，提高后代的生存几率，如果体内有两套父本DNA时，胚胎往往会过度生长，这种生物学上的不可持续性最终会导致孤雄小鼠（所有遗传物质来自父亲）体重较重，寿命较短。
从孤雌到孤雄小鼠
事实上，培育出孤雄小鼠的经验是全世界科学家经年累月储存下来的，一开始，他们从孤雌小鼠开始做起。2004年，由日本东京农业大学的Tomohiro Kono团队迈出了惊人的一步。他们通过精准地修改关键印记基因H19的调控区，成功培育出了世界上首批“有两个妈妈”的孤雌小鼠。这些小鼠不仅顽强地存活至成年，还展现出了令人啧啧称奇的特性：它们的体重远低于正常小鼠，但寿命却比普通小鼠长出了28%。
那么自然的，科学界开始将目光投向孤雌生殖的对立面——孤雄生殖。2011年，美国得克萨斯大学的研究团队另辟蹊径，他们从雄性小鼠体内提取出干细胞，通过精心培育，使其部分细胞丢失了Y染色体，摇身一变成为了“雌性”干细胞。基于此，他们成功培育出了携带双父本遗传信息的小鼠。这一成果虽然为孤雄生殖的可能性点亮了绿灯，但却未能触及遗传调控的深层机制。
真正的转折点出现在2018年。中国科学家周琪、李伟和胡宝洋等人不仅创造出了能够健康成长并繁衍后代的“双妈”小鼠，还大胆尝试将小鼠精子注入去核卵细胞，成功孕育出了“纯雄性”受精卵，并迎来了存活48小时的“双爸”鼠宝，不过形态有点奇怪：身长仅约三厘米，体态臃肿，四肢短小，浮肿严重，呼吸困难，活动受限。这一研究不仅再次为孤雄生殖的可能性提供了有力证据，更揭开了印记基因编辑的新篇章。然而，“双爸”鼠宝的外貌却与正常小鼠大相径庭，宛如迷你的“小海象”。
再突破！活到成年的双雄小鼠
面对“双爸”鼠宝的发育难题，研究团队开始追根溯源。他们发现，多个印记基因与孤雄胚胎的发育问题紧密相关，尤其是父源DNA异常二倍化时。为修复这些印记区域，团队在孤雄单倍体胚胎干细胞中逐一进行修复，并将编辑后的细胞与精子注入去核卵细胞。但“小海象”的出现表明问题仍未完全解决。
深入剖析孤雄小鼠后，团队发现其水肿不仅限于体表，还蔓延至内脏，部分器官异常肿大，肝脏甚至达正常五倍。他们提出假设：孤雄小鼠死亡可能与内脏过度膨胀压迫其他器官有关。
基于此，团队开始第二轮基因编辑，目标不仅修复导致胚胎死亡的印记基因，还涉及所有与过度生长相关的区域。经过五轮对19个印记区段的编辑，孤雄小鼠体重下降，异常症状缓解，约30%存活至成年。
但是，孤雄胚胎无法发育正常胎盘，团队就采用了“四倍体补偿”技术：正常细胞的基因是成对的（两份），但“四倍体”细胞有四份基因。科学家用这种技术来提供额外的基因支持，在孤雄胚胎无法正常发育胎盘时，用四倍体细胞来帮助形成胎盘，并修复胎盘中印记基因的异常表达。最终，构建出了携带20个印记区段基因编辑的孤雄单倍体胚胎干细胞，成功孕育出可长时间存活胎儿和功能完备胎盘。
有趣的是，这些孤雄小鼠呈现出了相当显著的特性，他们体重增长快，探索欲望强，在旷场实验中频繁踏入中心区域。孤雌小鼠则相反，几乎总是沿边缘徘徊。此外，孤雌小鼠寿命长，孤雄小鼠寿命仅为普通小鼠的60%。DNA甲基化检测显示，差异可能源于未完全修复的残余基因印记。
下一步，该团队将继续研究如何通过修饰印记基因来产生具有更高发育潜能的胚胎。他们还计划将这些在小鼠中开发的实验方法扩展到猴子等更大的动物模型中。也许未来，我们真的能看到该技术的广泛运用。