讓睪丸產生另一個父親的精子 為了繁育更優良後代

一項最新研究先通過基因編輯使動物不育，再對其進行精原細胞移植，使它們產生的精子只攜帶供體動物的優良基因。該技術如果能夠投入應用，將對畜牧業帶來極大幫助。

華盛頓大學生殖生物學家 Jon Oatley 在給一頭山羊「代父」餵食。圖片來源：Bob Hubner, Washington State University
科學家們首次將豬、羊及牛成功改造成「代理父親」，這些動物產生的精子不攜帶自己的基因，而只攜帶供體動物的遺傳信息。這項技術突破 9 月 14 日發表於《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。
來自華盛頓州立大學的生殖生物學家 Jon Oatley 帶領的研究團隊藉助基因編輯技術 CRISPR-Cas9，去除「代父」（surrogate sires）胚胎中負責雄性生育能力的基因片段。這些代父在出生後表現出了不育性狀，而在研究團隊對其睪丸進行幹細胞移植後，它們開始產生精子。檢測發現，代父產生的精子中僅表現出了幹細胞捐贈生物的基因性狀。該研究中的基因編輯技術針對的是諸如不育在內的物種自然缺陷。
該研究歷時 6 年，由來自華盛頓州立大學、猶他州立大學、馬裡蘭大學及英國愛丁堡大學的羅斯林研究所（Roslin Institute）的研究者合作完成。研究團隊使用 CRISPR-Cas9 培育出缺失 NANOS2 基因的小鼠、豬、山羊及牛。NANOS2 與雄性生育能力有關，缺少該基因的雄性動物能夠健康生長，但會表現出不育性狀。因此，植入了來自其他動物的精原細胞（即產生精子的幹細胞）後，這些生物開始生產源於供體細胞的精子。
研究證實，這樣的代父能夠生產活性供體精子。由小鼠代父提供精子產下的後代攜帶供體小鼠的基因。其他大型動物還沒有完成繁育。Oatley 實驗室正在為下一步的研究改良幹細胞移植程序。
該技術將有助於提升培育具備優良性狀牲畜的速度，提高食物生產的水平，使之適應日益增長的世界人口。此外，通過這項技術，偏遠地區的育種人員能更輕鬆地獲得其他地區優良種群的基因材料；該技術還有助於對難以進行人工授精的生物（如山羊）進行精確培育。Oatley 表示：「通過這項技術，我們能更好地培育出具有優良特徵的家畜，從而提高食物生產效率。這可能對解決全球食物安全問題產生巨大影響。從基因層面改進配種問題可能意味著，今後的家畜養殖可能消耗更少的水、食物以及抗生素。」
來自羅斯林研究所的 Bruce Whitelaw 教授認為，這項研究很好地完成了概念驗證：「本研究向世界證明，這項技術是真實、有用的。我們的下一個目標是探究如何更好地利用這項技術，來滿足日益增長的世界人口對食物的需求。」
畜牧業研究的最新進展
長期以來，科學家們都在探尋培育「代父」的新方法。這是由於畜牧業使用的傳統技術，如選育及人工授精，都要求物種之間比較接近，或嚴格管控生長周期，並且在許多情況下同時受到這兩個因素的限制。
人工授精技術在奶牛養殖中較為常見，這是由於對奶牛一般採用圈養，因此它們的繁殖行為相對易於控制。但對於需要遊蕩吃草的肉牛而言，這種方法的應用難度就很大。對於豬來說，該技術的難度在於豬的精子無法長時間保持活性，進行人工授精需要保證受體豬在較近的範圍內。在山羊身上進行人工授精更有難度，授精時需要對山羊進行手術。
「代父「技術通過自然繁育的方式解決了上述難題。農場主和牧民不需要限制牲畜的自然活動，供體動物與「代父」也不需要被帶到同一地點 ，因為可以將冷凍的供體精子或代父動物運輸到不同地方。此外，NANOS2 缺失的雌性動物依舊能夠生育——該基因僅僅對雄性生育能力造成影響，而產下的 NANOS2 缺失雄性動物可以成為新的「代父」。

被改造為「代父」的牛。圖片來源：Bob Hubner, Washington State University
來自猶他州立大學的 Irina Polejaeva 表示，由於很多地區的牧民還依賴著選擇育種來提升牲畜性狀，該技術的利用可能促進發展中國家加快食物產量的提升。「山羊依舊是許多發展中國家首要的蛋白質來源，「 Polejaeva 表示，」這項技術能加速山羊優良性狀的繁育，比如抗病性、抗高溫性或更好的肉質表現。「
「代父」技術還為瀕危物種的遺傳信息保護提供了一條新路徑。種群數量的下降往往帶來群落之間的地理隔離，這限制了種群內部的基因多樣性。
推廣應用仍然受限
然而，倘若如今政府的管控以及公眾的看法不發生改變，上述所有代父技術的好處都無法實現。
儘管技術上已經足夠成熟，有待商用，目前全球的法律制度都不允許基因編輯代父技術的應用，即便代父的後代不會受到基因編輯。Oatley 認為，這種現狀部分源自公眾的錯誤理解，即將基因編輯等同於富有爭議的轉基因技術。基因編輯意味著對單一物種的自然性狀進行改變，不是說將不同物種的 DNA 結合起來。
Oatley 也意識到，為了這項技術的順利推廣，他還需要完成許多實驗室之外的工作。他最近加入了美國家畜基因編輯全國工作小組（National Task Force on Gene Editing in Livestock），這個組織聚集了研究人員、產業界代表、生物倫理學家及政策制定者，旨在推動這項技術的實施。
「即使科學上已經完全成熟，這種方法在世界上任何一個地方被應用於家畜繁育的速度仍然受到社會接受程度和政策的影響」，Oatley 表示。「通過與政策制定者和公眾合作，我們能夠向公眾提供更多信息，證明這項技術並不會帶來與其他方法類似的風險。」
論文信息：
Michela Ciccarelli el al., "Donor-derived spermatogenesis following stem cell transplantation in sterile NANOS2 knockout males," PNAS (2020).
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2010102117
參考來源：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/wsu-gl090920.php