中國科學家全球首次實現哺乳動物孤雄生殖

我們所在的這顆藍色星球上，每個角落裡似乎都有生命的存在。無論在進化樹上處於哪個位置，維持種族的繁衍是所有生命體都要必須面對的頭等大事。

最簡單的生命體——病毒，需要藉助宿主細胞進行擴增和繁殖；細菌和部分植物採用孢子繁殖，這是一種簡單的無性生殖；蜜蜂和螞蟻則採用孤雌繁殖，僅靠種群中的雌性就能繁育後代；而處於進化樹頂端的哺乳動物則採用有性生殖，這種精子和卵子結合的生殖方式既能夠保證群體基因組的穩定，又能通過基因重組推動物種的進化。

數以百萬年來，精子和卵子的結合被認為是高等動物新生命誕生的必經之路，同樣維繫著人類種族的繁衍。然而，來自中國科學院的科學家們正在探索生命形成的本質，人們心中固有的經典生殖規律可能會被打破。

中科院動物研究所指出，與孤雌生殖對應的孤雄生殖極其罕見，迄今只在一種斑馬魚中發現孤雄生殖。然而對於高等哺乳動物，無論孤雌生殖或孤雄生殖都不存在。科學家們人工構建出的孤雌或孤雄胚胎均在發育早期死亡。在爬行類和兩棲類不存在、而在哺乳類進化出來的印記基因被認為是阻礙哺乳動物同性生殖的重要因素。

東京農業大學Kono實驗室曾在未成熟卵中刪除了2個印記控制區段，成功得到了活的孤雌小鼠，首次實現了哺乳動物的孤雌生殖，引起廣泛關注。

中國科學院動物研究所胡寶洋研究員、周琪研究員和李偉研究員團隊合作，通過對單倍體胚胎幹細胞進行印記基因修飾並利用該細胞進行複雜胚胎操作的形式，得到了世界上首隻雙父親來源的小鼠，以及性狀正常的雙母親小鼠。相關工作於10月11日以長文的形式在國際學術期刊《細胞幹細胞》（Cell stem cell）上發表。

雙父親來源的小鼠  圖自phys.org網站

人造精子

科學家們首先創造了「人造精子」：在實驗室中，一顆小鼠的精子被注射到去除細胞核的卵子中，精子經歷了卵子的重編程後華麗地變身為一種新型的幹細胞—「孤雄單倍體幹細胞」。研究發現，孤雄單倍體幹細胞既保持了胚胎幹細胞的多能性和分化潛能，又同精子一樣僅具有1套染色體。更為神奇的是，科學家們利用孤雄單倍體幹細胞成功地替代精子完成了卵母細胞受精的使命，繁育獲得了後代。

孤雄單倍體胚胎幹細胞替代精子獲得後代

性別逆轉

那麼，單倍體幹細胞能否「性別逆轉」，實現孤雄單倍體幹細胞和孤雌單倍體幹細胞之間的轉換呢？然而要真正實現性別的「逆轉」可不容易。哺乳動物在進化過程中，為了區分精子和卵子，在各自的基因位置上進化出類似於「鎖」一樣的印記基因，而要想性別的「逆轉」，就要在印記基因上下功夫。科學家們利用「基因編輯」技術改變了小鼠孤雌單倍體幹細胞中兩個被稱為H19和IG的重要印記基因區域，這使得它們在基因形態上具有了精子的特徵。

孤雌單倍體胚胎幹細胞替代精子獲得雙母親基因組來源孤雌小鼠

孤雌生殖

經過了一系列「瞞天過海」的改造，來自雌鼠A的卵母細胞先被激活、之後完成了性別逆轉，並被再次注射進來自雌鼠B的卵母細胞中。「她們」最終突破了性別的束縛，獲得了愛的結晶，成功地發育成為由兩個雌性小鼠作為親本的後代，這就如同西遊記中神奇的「女兒國之水」，不需要「御弟哥哥」，哺乳動物的孤雌生殖已經在實驗室中成為了現實！

孤雌單倍體幹細胞經過基因編輯後注入卵母細胞中，能夠發育成個體

雙母親來源的小鼠  圖自phys.org網站

然而更多人的關注點在於這種來源的個體是否健康。正如公眾關心的一樣，我們驚奇地發現這種獲得個體除了意外獲得了長壽特性外，存在生長速度緩慢，焦慮難安的精神問題。為了獲得健康的雙母親來源的個體，科學家又找到了一個新的精子來源的大鎖——Rasgrf1，這把大鎖一加，獲得的孤雌個體就和正常個體無異。

3KO的小鼠比2KO的小鼠更加接近野生型小鼠

雙母親來源的小鼠  圖自phys.org網站

孤雄生殖

既然雌性之間的同性生殖已經被科學家攻克，那麼雄性之間的同性生殖也不會遠了。這一次，科學家試圖尋找限制雄性單倍體幹細胞的「枷鎖」。通過精確修飾孤雄單倍體幹細胞上6個印記基因（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg3），並將其與另外一枚精子同時注射到小鼠去核卵中，經歷多輪改造後，兩枚精子來源的胚胎也成功獲得了後代。然而，這種個體存在很多健康問題並不能存活。科學家將另外一個重要印記基因（Gnas）進行了精確修飾後，終於獲得了更為正常、健康的雙父親小鼠，並實現了短期的存活。

通過精確修飾孤雄單倍體幹細胞上6個印記基因，並將其與另外一枚精子同時注射到小鼠去核卵中，培養成胚胎幹細胞，通過四倍體補償的方式可以得到後代。7KO的小鼠相比與6KO的小鼠更接近正常小鼠，可以短期存活。

中科院動物研究所指出，該項研究利用單倍體胚胎幹細胞技術作為平臺，系統證明了哺乳動物中跨越同性生殖障礙需要經歷的三步：1、單倍體幹細胞展現出類似原始生殖細胞的「無印記」模式；2、在單倍體幹細胞中對特定印記區段進行修飾，建立新的印記模式；3、結合卵母細胞注射或四倍體囊胚補償技術獲得孤雌或孤雄動物。

該研究也證實了，更完善的印記修飾能夠完全跨越孤雌生殖障礙，獲得健康發育的孤雌動物。得到孤雄小鼠需要更多的印記修飾，而所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。這些發現對理解基因組印記的進化、調控和功能具有重要意義，對於開發新的動物生殖手段也有重要價值。

如今，哺乳動物同性生殖已在實驗室中獲得了成功。然而，科學仍在不斷發展，終有一天，我們將解開關於生命和人類自身的奧秘。