▎药明康德内容团队编辑 就在大年初一凌晨，一项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的重磅成果在《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）在线发表。这项研究通过对印记基因的修复，成功培育出所有遗传物质来自父本、并能健康存活至成年的孤雄小鼠，为理解哺乳动物的单性生殖障碍提供了新的视角，也为再生医学的研究开辟了潜在新途径。科学界对哺乳动物单性生殖的探索，要追溯到20世纪80年代。当时，科学家们尝试构建DNA完全来自母本的孤雌小鼠，但早期的尝试均以失败告终。进入90年代后，科学家们找到了限制哺乳动物单亲繁殖的障碍——印记基因（imprinted genes）。与普通基因不同，印记基因只从父本或母本一方表达，因此后代的正常发育离不开父母双方完整的遗传信息。2004年，东京农业大学Tomohiro Kono团队通过对关键印记基因的编辑，打破了单亲繁殖的障碍，成功培育出DNA均来自母亲的全球第一只孤雌小鼠。此后他们进一步发现，这些孤雌小鼠的体重远远低于正常小鼠，但寿命却比普通小鼠长了28%。而作为单亲繁殖的另一面，孤雄生殖有着更大的难度。要知道，在自然界的脊椎动物中，孤雌生殖存在于多种爬行、两栖动物中，但纯雄性繁殖的案例却从未发现。一个关键原因在于，卵子不仅提供遗传物质，还为胚胎发育初期提供了蛋白质、RNA、初始细胞器等重要的“启动工具”，而这些正是精子所缺乏的。2012年，中国科学院的科学家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，为编辑精子的印记基因奠定了基础。两年后，研究团队在孤雄单倍体胚胎干细胞中，对导致胚胎死亡的6个印记基因区段进行逐一修复，再将经过编辑的胚胎干细胞与另一枚精子共同注入去核卵细胞，培育出孤雄小鼠。不过，这些小鼠外形严重异常，并且很快死亡。这一结果说明，孤雄生殖背后或许还藏着未被发现的致命阻碍。▲携带六个关键印记基因区段修复的孤雄小鼠（图片来源：研究团队提供）对上述小鼠的解剖结果表明，它们的内脏器官远大于正常小鼠。因此接下来，研究团队不仅修复了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。在最新论文中，研究团队首先逐一修复了18个与过度生长相关的印记区域。结果，这些孤雄小鼠的胚胎发育成功率显著提高，并且主要的发育异常也得到修复。不过，大多数小鼠在出生后因哺乳失败而死亡，仅有一只存活至成年。研究表明，小鼠的这些异常与Blcap-Nnat基因位点的异常表达有关。因此，研究团队接下来通过对Nnat印记区域的修饰，提高了小鼠的胚胎发育成功率，还完全恢复了眼睑和颅面发育缺陷。这些孤雄小鼠具备独立哺乳能力，能够健康存活至成年。尽管此时小鼠已经在体外发育取得了成功，但它们的胎盘发育仍需依赖“四倍体补偿”才能克服早期发育障碍。研究团队发现，孤雄胎盘中Sfmbt2印记区域的特定异常是胎盘发育不全的主要原因。因此，研究团队对该区域进行了进一步的编辑，由此共对20个印记区段进行修复，构建出的孤雄小鼠胚胎不仅能发育，还成功生成了可存活的胎儿和功能完整的胎盘。至此，该研究开发了一种有效解决双父系胚胎中严重发育缺陷的策略。该方法通过胚胎干细胞的四倍体互补、单倍体细胞核注射和体细胞核移植，成功生成了完全成年的孤雄小鼠。值得一提的是，孤雄小鼠在一系列生理特性上都与此前的孤雌小鼠如镜像般相悖。例如，前文说到孤雌小鼠的体重更轻，但孤雄小鼠的体重却远高于普通小鼠；不同于更长寿的孤雌小鼠，最新的孤雄小鼠寿命仅有普通小鼠的60%。此外，孤雄小鼠表现出更强的探索欲，也与啮齿类动物习惯沿边缘活动的习性相悖。▲成年的孤雄小鼠（左）和同龄、同性别的野生型对照小鼠（图片来源：研究团队提供）孤雌和孤雄小鼠的差异从何而来？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。对孤雄小鼠的研究，为理解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新的视角。根据经典的冲突假说，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。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，印记基因的演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。此外，这项研究还揭示了印记基因修复在相关疾病中的治疗潜力。例如，对Nnat-Blcap基因座异常的修复可解决颅面畸形，并提高小鼠的生存率。此外，KCNK9异常与一种严重的发育障碍Birk-Barel综合征有关，该研究通过敲除Peg13印迹区域内的关键位点，成功恢复了小鼠的Kcnk9表达。这些结果也为特异性基因疗法的开发提供了新的路径。中国科学院动物研究所研究员李伟、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。该研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院、北京市自然科学基金等的大力支持。
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”。
参考资料：
[1] Z.K. Li, L.B. Wang, L.Y. Wang, X.H. Sun, Z.H. Ren, S.N. Ma, Y.L. Zhao, et al., Adult bi-paternal offspring generated through direct modification of imprinted genes in mammals. Cell Stem Cell (2025). DOI: 10.1016/j.stem.2025.01.005
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