「没爹」小鼠来了！科学家只用 1 个卵细胞培育出健康小鼠，还可正常繁殖后代
丁香学术
导读
在哺乳动物中，新生命开始于精子成功地与卵细胞相遇，形成受精卵，然后子代携带分别来自双亲的部分遗传物质。长久以来，这都是自然界中哺乳动物繁衍后代的定律，也是维持种群的重要方式。
在哺乳动物中，父系和母系基因组之间的精细协调对胚胎的发育至关重要，一些父系甲基化印迹控制区（imprinting control regions, ICRs），包括 H19 和 Gtl2，它们在胚胎发育中发挥调控基因的作用；母系甲基化 ICRs，如 Igf2r，Snrpn，Kcnq1ot1 和 Peg10 等也已被证明在胎儿以及出生后生长发育的调节中发挥关键作用。这些研究共同说明了哺乳动物胚胎发育过程是收到来自父系和母系的双重调控，而且是必需的。
孤雌生殖，是一种仅从未受精的卵母细胞产生后代的方式，这种繁衍后代的方式在鱼类和爬行动物中是比较普遍的，但在哺乳动物中的自然生殖中尚未见到相关报道。
2022 年 3 月 7 日，上海交通大学附属仁济医院等单位的研究团队在 PNAS 杂志发表了题为 Viable offspring derived from single unfertilized mammalian oocytes 的研究论文，通过基因编辑技术，他们探索了靶向表观遗传改造是否可以改善哺乳动物的孤雌生殖。他们的研究结果证明，在对 ICRs 进行基因编辑改造之后，能够直接从单个未受精的小鼠卵母细胞产生可存活的足月后代。
本研究报道的哺乳动物的孤雌生殖，是单性生殖的重要科学进步。
图片来源：PNAS
主要研究内容
研究人员指出，由于基因组印记的存在，先前旨在产生哺乳动物孤雌生殖后代的研究工作均失败了。因此，研究人员首先采用了不同的方法尝试去克服这个问题。
他们从雌性小鼠身上取出一个卵子，然后找到卵子中父系印记区域的基因，并使用 CRISPR 进行编辑，以模仿雌雄个体在正常受精过程中贡献的基因。随后，他们将一种酶注入卵子中，以打开或关闭一些基因，并以此来改变 7 个印迹控制区域的甲基化情况，使卵细胞中的基因与受精后的卵子相似。
具体来讲，研究人员设计了具有与一个等位基因匹配但与另一个等位基因不匹配的原型间隔区相邻基序（PAM）序列的引导 RNA，然后 dCas9-Dnmt3a 或 dCpf1-Tet1 能够以等位基因特异性方式进行靶向 DNA 甲基化编辑。
首先，他们对来自父系的 2 个 ICRs 进行编辑，并将修饰后的孤雌囊胚植入到雌性小鼠子宫中。然而，他们并没有获得足月后代的发育，大多数胚胎在 12.5 天之前就已经死亡。基因定量分析结果显示，父系相关印迹基因的表达基本正常，但母系甲基化 ICRs 调控的印迹基因存在异常表达。
图片来源：PNAS
然后，他们将注意力转向了母系甲基化 ICRs。他们选择了 5 个母系甲基化 ICRs，先前的研究表明它们的异常与胚胎或产后致死或严重发育障碍有关。
在对卵母细胞的这些区域进行编辑后，他们还借助亚硫酸氢盐测序对 DNA 甲基化状态进行分析，结果发现，在大多数卵母细胞中，一个等位基因被低甲基化，而另一个等位基因仍被高甲基化，证明了使用该编辑系统的成功。此外，在体外胚胎培养并移植到小鼠子宫后，这些编辑过的基因标记在着床前发育期间依然维持甲基化，类似于自然受精发育后的基因标记。
接下来，为了确定同时通过修饰 2 个父系甲基化 ICRs 和 5 个母系甲基化 ICRs 是否可以进一步延长发育，他们构建了七个区域均被修饰的孤雌生殖胚胎。随后将 158 个囊胚移植到 12 只假孕母鼠体内后，在第 13.5 天时从 3 只母鼠体内获得 13 个活胚，其心跳清晰可见。因此，这些数据表明，进一步的甲基化编辑显著改善了孤雌生殖的胚胎发育；同时，这些数据也表明，可能只有一部分胚胎的 7 个区域可以同时被成功编辑。
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最后，他们用两个父系甲基化 ICRs 和五个母系甲基化 ICRs 同时被修饰的策略构建了孤雌胚胎，并植入到小鼠子宫内，让它们发育到足月，产下的所有小鼠都活过了幼年时期，但只有一只活到了成年期，且能正常繁殖后代。
通过对存活小鼠尾部组织进行亚硫酸氢盐测序发现，所有编辑过的 ICRs 都显示出正确的甲基化，这表明编辑过的甲基化标记遗传给了发育完全的生物体，这对支持足月单性生殖发育至关重要。
与此相反，对两只出生后 24 小时内死亡的孤雌生殖小鼠的尾部组织进行亚硫酸氢盐测序却发现，在 7 个 ICRs 至少存在一个甲基化印迹丢失。因此，这些数据也证实了所有 7 个 ICRs 的编辑对孤雌生殖小鼠胚胎的足月发育是必要的。
图片来源：PNAS
结语
综上所述，本研究证实，尽管说父系和母系基因组之间的印迹介导的平衡对哺乳动物的发育至关重要，但仍然可以通过适当地改造表观遗传，调控多个 ICRs 来实现哺乳动物的孤雌生殖。
此外，哺乳动物单性生殖的成功也为农业和生殖医学等提供了重要的理论基础，未来进一步鉴定和编辑更多的 ICRs 可能会提高孤雌发育的效率；与此同时，进一步优化编辑系统，也可能会提高多次编辑的效率，最终提高孤雌生殖成活后代的成功率。
总的来说，本研究结果表明孤雌生殖在哺乳动物中是可行的，这项研究就是一个成功的案例，同时也是单性生殖的重要科学进步。不过，研究人员还是表示，在将其实际应用之前还需要更多的工作进行更加深入的研究。
