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Cell Stem Cell | 从不可能到可能：李伟/周琪/李治琨/骆观正团队解锁哺乳动物单性生殖的密码

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-29 00:03

正文

在阳光透过斑驳树叶洒在地面的清晨，或是电闪雷鸣震撼夜空的夜晚，动物园的饲养员像往常一样，沿着兽栏逐一巡查。当他的目光落在一只熟悉的雌性动物身上，不管那是一只灵动的鸟，还是安静的蜥蜴，他的脚步猛地定住了。

笼子里没有任何雄性的身影，可那雌性动物身旁，竟出现了一窝幼崽！幼崽们睁着圆溜溜、懵懂的眼睛，好奇打量着这个陌生世界，而饲养员却呆立当场，内心掀起惊涛骇浪。

这样的现象并非个例。在实验室的精密仪器旁，在动物园的动物围栏中，甚至在私人饲养的温馨小窝里，人们一次次见证了这种 “奇迹”。家鸡欢快踱步【1】，秃鹫在天空翱翔【2】，科莫多巨蜥威风凛凛【3】，还有池塘里偶尔鸣叫的蛙类【4】，这些雌性个体在没有雄性伴侣的情况下，成功孕育了新生命，这种现象被称作孤雌生殖（parthenogenesis）。

然而，在众多展现孤雌生殖能力的物种里，哺乳动物却始终是个例外。其实，早在 20 世纪 80 年代，科学家们就开始了对哺乳动物孤雌生殖的探索。他们试图构建全母源胚胎，这些胚胎的 DNA 完全来自母亲，没有一丝父本基因的痕迹。实验室里，这些胚胎被成功培育出来，可一旦移植到母体子宫，就像被施了魔咒，无一例外地停止发育，最终胎死腹中【5,6】。

科学探索就像一场神秘的冒险，总能揭示出令人着迷的进化逻辑。每个基因似乎都背负着独特的 “使命”，有的基因让生物更加强壮，足以抵御冬日的严寒；有的改变生物的毛色，帮助它们巧妙避开天敌。20 世纪 90 年代初，科学家在哺乳动物中发现了一类特殊的基因 —— 印记基因（imprinted genes）【7-9】。普通基因平等地表达父母双方的遗传信息，而印记基因却很 “任性”，只从父本或母本一方表达，另一方则默默 “隐身”。这一独特机制让哺乳动物的两套基因组不再相同，后代的正常发育离不开父母双方完整的遗传信息，也似乎为哺乳动物无法进行孤雌生殖给出了合理答案：印记基因凭借独特的表达方式，关上了单亲繁殖的大门。

2004 年，日本科学家 Tomohiro Kono 及其团队的研究，为这一假说提供了有力支持。他们就像基因世界里的 “精密工匠”，精准修改关键印记基因 ——H19 的调控区，成功培育出世界上第一只孤雌小鼠。这只小鼠的所有 DNA 都来自母亲，完全不依赖雄性【10】。但这仅仅是探索的开始。后续实验中，Kono 团队发现，这些孤雌小鼠和普通小鼠相比，有着明显差异：它们体重远远低于正常小鼠，而且这个特征伴随一生【11】；更让人惊讶的是，它们的寿命竟然比普通小鼠长了28%【12】。这一突破性发现抛出了一个深刻问题：没有父亲基因，生命轨迹会发生怎样的改变？没有父亲的 DNA，是否能让我们活得更轻盈、更长久？

为了揭开孤雌生殖的神秘面纱，我们不妨把目光转向它的 “对立面”—— 孤雄生殖（androgenesis）。孤雄生殖更像是存在于理论中的奇妙构想，在自然界的脊椎动物中，至今还未发现纯雄性繁殖的真实案例。这背后有着深层次的生物学原因。卵子不仅提供遗传物质，还为胚胎发育初期提供所有必需物质，蛋白质、RNA、初始细胞器等，这些复杂的分子机器是生命起始的关键。而精子只是微小的遗传信息载体，缺乏这些 “启动工具”，无法独自支撑胚胎正常发育。

在哺乳动物实验中，科学家试图通过显微操作构建孤雄胚胎。他们去除卵母细胞的细胞核，注入两枚精子的遗传物质，试图创造 “纯雄性” 受精卵。可这些胚胎的命运比孤雌胚胎更悲惨，往往在更早阶段就停止发育，还伴有严重的发育异常【13】。这似乎揭示了一个残酷的生物学事实：在哺乳动物中，孤雄生殖比孤雌生殖更加难以实现。

尽管困难重重，中国科学院的科学家们没有退缩。他们将小鼠精子注入去核卵细胞，成功培育出孤雄来源的单倍体胚胎干细胞【14,15】。这些细胞只继承了精子的 DNA，也为基因编辑打开了新的大门。以往，科学家无法直接编辑精子中的印记基因，这次突破为未来研究指明了新方向。

那么，编辑哪些印记基因最有可能实现孤雄生殖呢？已有研究表明，多个印记基因异常与胚胎发育问题紧密相关，尤其是父源 DNA 的异常二倍化，通常会导致胚胎早期死亡。不难猜到，孤雄胚胎有两套父本 DNA，这些印记基因区域很可能是阻碍其正常发育的关键。科学家已知的这些印记区域包括 Nespas、Igf2r、Kcnq1、Peg3、Snrpn 和 Grb10 等。基于此，研究团队在孤雄单倍体胚胎干细胞中逐一修复这些印记区域，再将经过基因编辑的胚胎干细胞与另一枚精子共同注入去核卵细胞，期待突破孤雄胚胎的发育瓶颈【16】。

携带六个关键印记基因区段修复的孤雄小鼠

然而，结果既让人惊讶又困惑。编辑后的孤雄小鼠出生了，可它们的外形和正常小鼠截然不同，倒像一只奇怪的小海象：体长只有约三厘米，身体胖乎乎的，四肢短小，浮肿严重，无法正常呼吸和活动。更让人难过的是，这些小鼠出生后 48 小时内就不幸死亡。

这是为什么呢？孤雄小鼠能顺利出生，似乎说明印记基因编辑在突破发育障碍上起了作用。但出生后的小鼠严重异常，最终无法存活，这暗示着孤雄生殖背后或许还藏着未被发现的致命阻碍。

解剖孤雄小鼠后，科学家发现水肿不仅出现在体表，还蔓延到内脏器官，导致部分器官显著肿大，比如肝脏，比正常小鼠大了五倍【17】！这一异常现象让科学家提出假设：孤雄小鼠的死亡或许是因为内脏器官过度膨胀，压迫胸腔和其他器官，影响了正常生理功能。毕竟，新生哺乳动物的生存依赖呼吸、哺乳等基本功能，而这些需要足够的体内空间。

这个假设虽和已有的印记基因功能研究不完全相符，却激发了科学家的探索热情，推动了第二轮基因编辑。这次，他们的目标不仅是修复导致胚胎死亡的印记基因，还扩展到所有可能与胚胎过度生长相关的区域。经过五轮基因编辑，涉及 19 个不同的印记区段，孤雄小鼠体重逐渐下降，内脏器官肿大和水肿等异常症状开始缓解，最终约 30% 的孤雄小鼠成功存活至成年。不过，要实现完整的孤雄生殖，还有一个重要挑战 —— 胎盘。

在之前培育孤雄小鼠的过程中，科学家意外发现，孤雄胚胎无法发育出正常胎盘。所以，这些小鼠是通过 “四倍体补偿” 技术间接产生的。该技术利用普通受精卵，特殊处理使其四倍化，仅为胎盘提供多倍体细胞。这些多倍体细胞与孤雄胚胎细胞结合，为胚胎发育提供了所需的胎盘组织。

为了获得能支持孤雄小鼠胚胎发育的足够胎盘，研究团队继续探索，发现孤雄胎盘中某些印记基因表达异常。与大多数通过父母 DNA 甲基化区段调控的印记基因不同，这些特殊印记基因 —— 一个包含 72 个 microRNA 的印记区域（Sfmbt2 - miRNA 簇），受到非经典印记机制调控。非经典印记不直接作用于 DNA，而是作用于紧密缠绕 DNA 的组蛋白，其甲基化特征也具有亲本特异性【18】。更特别的是，非经典印记基因通常在胎盘中展现亲本特异性表达模式，而非在胎儿中。通过进一步修复这些印记基因的表达，研究人员成功构建携带 20 个印记区段基因编辑的孤雄单倍体胚胎干细胞，并将其与精子共同注入去核卵细胞。令人激动的是，这些孤雄胚胎不仅能发育，还成功生成了可存活的胎儿和功能完整的胎盘。

再来看看出生后的孤雄小鼠，它们和普通小鼠有着显著不同，尤其是体重增长方面。普通小鼠体重达到 20 克时，孤雄小鼠体重大约已达 30 克。而且，孤雄小鼠表现出更强的探索欲。在旷场实验中，它们频繁进入中心区域，这和啮齿类动物习惯沿边缘活动的习性相悖。有趣的是，孤雌小鼠不仅体重增长模式和孤雄小鼠相反（体重偏小），行为上也形成对比：旷场实验里，孤雌小鼠几乎总沿着边缘活动，很少进入中心区域。这种孤雄与孤雌小鼠行为上的 “镜像” 现象，令人惊叹。

成年的孤雄小鼠（左）和同龄、同性别的野生型对照小鼠

它们的寿命也有明显差异。孤雌小鼠寿命较长，而孤雄小鼠寿命仅为普通小鼠的 60%。对孤雌和孤雄小鼠 DNA 甲基化检测发现，孤雌小鼠印记基因甲基化特征和卵子的甲基化模式高度相似，孤雄小鼠则更多保留了精子的甲基化特征。这一发现不仅在大脑、小脑和多种内脏器官的甲基化检测中得到验证，也为理解它们在体重、行为和寿命上的差异提供了新线索。这些差异很可能源于它们体内未完全修复的残余基因印记。

孤雄小鼠的研究，为哺乳动物印记基因的形成及其在单性生殖障碍中的作用，提供了更合理的解释。修复单个印记基因异常就能成功产生孤雌小鼠，但孤雄小鼠实验表明，印记基因的演化目标并非直接阻止单性生殖。实际上，印记基因和单性生殖的关系更多是间接效应：当体内有两套父本 DNA 时，胚胎往往过度生长，而这种过度生长在生物学上不可持续，最终影响存活。虽然这些异常的单独效应不致命，但修复它们却能产生可存活的个体。

所以，印记基因的作用或许不只是阻止单性生殖，还和胚胎发育需求紧密相连。印记基因调控着母源与父源基因的相互作用，影响胚胎发育，间接决定了孤雄或孤雌小鼠的诞生。这一过程符合经典的冲突假说（conflict hypothesis）【19】。该假说提出，印记基因的演化和生殖障碍没有直接关联，而是通过调控胚胎在母体子宫内的发育，帮助胎儿适应有限空间（值得一提的是，这个假说早在第一个印记基因被发现前就已提出，实在令人钦佩【20】）。母源印记基因倾向于 “缩小” 胎儿体积，以适应有限的子宫空间；父源印记基因则通过 “增大” 胎儿体积，提高后代生存几率。孤雄与孤雌小鼠在体重、行为和寿命上的镜像差异，正是父母基因博弈的副产品。由此可见，印记基因的进化不是针对单性生殖，而是通过平衡胚胎发育所需的空间和资源，促进物种生存。孤雄和孤雌小鼠的研究，不仅为我们理解哺乳动物单性生殖障碍提供了新视角，也为探索基因与环境适应的复杂关系提供了宝贵线索。

注：为方便阅读，本文将研究中获得的基因编辑小鼠称为孤雄小鼠。实际上，鉴于这些小鼠拥有来自两位 “父亲” 的基因，准确名称应为 “双父本小鼠”。类似的，孤雌小鼠准确名称应为 “双母本小鼠”。

该研究以Adult bi-paternal offspring generated through direct modification of imprinted genes in mammals为题于2025年1月28日在Cell Stem Cell 刊物在线发表，由中国科学院动物研究所，北京干细胞与再生医学研究院与中山大学合作完成。中国科学院动物研究所李伟、周琪、李治琨与中山大学骆观正是论文共同通讯作者。中国科学院动物研究所李治琨、王立宾、王乐韵、孙雪寒、马思楠、赵玉龙，以及中山大学任泽慧是本研究共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.01.005

制版人：十一

参考文献

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