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動物所突破哺乳動物同性生殖障礙


- 2018年10月12日05時53分
- 科學文摘 / 中國科學院

中國科學院

同性生殖的現象在動物中並不罕見,例如在爬行類的蜥蜴、兩棲類的蛙,以及多種魚類中,都有「孤雌生殖」現象:即不經過與雄性的交配,雌性個體即可生下後代。作為有性生殖的補充,孤雌生殖能在缺乏雄性的情況下,維持個體的繁衍與種群的更新。與孤雌生殖對應的孤雄生殖則極其罕見,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。目前已經發現的印記基因超過100個,隨機分布於染色體的數十個區段上,表達模式由印記控制區段的差異甲基化來控制。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。然而許多新的科學問題也隨之而來:為什麼在眾多印記區段中,僅僅改變兩個即可實現孤雌生殖?這些孤雌小鼠為什麼有發育缺陷?孤雄生殖有可能在最高等的哺乳動物中實現嗎?

中國科學院動物研究所研究團隊結合單倍體幹細胞技術和基因編輯技術對這些問題進行探索。該研究團隊首先發現,由卵細胞建立的孤雌單倍體幹細胞,在高代次條件下,刪除與Kono實驗室相同的兩個印記區段並注射進第二個卵細胞後,同樣能發育得到「兩個母親」的孤雌小鼠。進一步研究發現,高代次的孤雌單倍體細胞展現出了一種不同於卵子或較低代次細胞,反而類似原始生殖細胞的全基因組甲基化模式,且所有的印記區段都呈現出類似原始生殖細胞的「無印記」狀態。這揭示了為何「僅僅刪除2個」印記區段,就能獲得孤雌小鼠:實際上,所有繼承自卵細胞的印記基因,在孤雌單倍體幹細胞中都經歷了印記模式的「重新修正」。與此結果一致的是,研究人員發現在孤雌小鼠中,除了一個印記基因(Rasgrf1)表達顯著異常之外,其他所有印記基因都與正常小鼠無異。

利用單倍體幹細胞易於基因編輯的特性,研究人員在孤雌單倍體幹細胞中同時刪除了包含Rasgrf1在內的三個印記區段。發育結果證實,Kono獲得的孤雌小鼠的多種缺陷,確實是Rasgrf1的異常所導致的:人們首次獲得了在發育、行為、代謝和生育力上均與正常小鼠無異的孤雌小鼠。更令人驚訝的是,在由精子建立的孤雄單倍體幹細胞中,同樣發現了類似原始生殖細胞的甲基化模式。這意味著,在低等脊椎動物中罕見的孤雄生殖,有可能在哺乳動物中實現。


研究人員在孤雄單倍體幹細胞中,篩選並最終刪除了7個重要的印記控制區段。這些細胞與另一顆精子所形成的孤雄胚胎幹細胞,發育成為活的孤雄小鼠。這些孤雄小鼠外觀正常,可以自主呼吸,但是都在出生後48小時內死亡。這是首次獲得具有兩個父系基因組的孤雄小鼠,證實了即便在最高等的哺乳動物中,孤雄生殖也有可能實現。

該項研究利用單倍體胚胎幹細胞技術作為平台,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。

相關成果於10月11日在國際學術期刊Cell Stem Cell 發表。該研究工作由動物所和中科院幹細胞與再生醫學創新研究院完成。動物所研究員胡寶洋、周琪和李偉為論文的共同通訊作者;博士後李治琨、王樂韻,博士生王立賓、袁雪薇以及副研究員馮桂海為共同第一作者。該研究受到中科院戰略科技先導專項及科技部、基金委等的資助。


動物所突破哺乳動物同性生殖障礙圖片


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