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单倍体胚胎干细胞:破解哺乳动物同性生殖障碍的武林秘籍

2018-11-14 14:59来源:光明网
90度开启的后门对于穿裙子的朋友和老人来说很方便,不过带有限位器的铰链感觉有点羞涩,开门关门不太顺畅而且特别沉。

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  编者按:近日,中国科学院动物研究所胡宝洋研究员、周琪研究员和李伟研究员团队合作,通过对单倍体胚胎干细胞进行印记基因修饰并利用该细胞进行复杂胚胎操作的形式,得到了世界上首只双父亲来源的小鼠。孤雌繁殖早已实现,为何孤雄繁殖却却难以成功?研究孤雄繁殖有何种意义?

  孤雌生殖:低等动物的独门武功

  如果你从没听说过它,那么灯塔水母(Turritopsis nutricula)可算是一种令人瞠目结舌的动物:性成熟的灯塔水母,在经历饥饿、温度或海水盐度的改变时,能够转而成为更年轻的幼体,从而实现理论上的永生。然而,更仔细的研究后,科学家们发现,所谓更年轻的幼体,并不是性成熟的那只水母“本母”,而是它的生殖细胞 “无性繁殖”产生的后代。

单倍体胚胎干细胞:破解哺乳动物同性生殖障碍的武林秘籍

  灯塔水母

  从进化上讲,脊椎动物是远比水母更高级的存在。不过,即便是高级的脊椎动物,也有无性繁殖的现象。在爬行类的蜥蜴,两栖类的蛙,以及多种鱼类中,都存在着称为“孤雌生殖”的现象:不经过与雄性的交配,雌性个体即可生下后代。禽类比前面这几位都高级,比如姥姥家的大白鹅,不仅有脊椎,还是温血动物,更爱欺负人。禽类里,有一种鸡(养殖场常见那种),在科学家的一次统计中,7000个未受精卵,能孵化出3只小鸡。自然,这些小鸡都没有父亲。它们的身体都很弱,力气也很小。因此,又把力气小的人形容为“无父鸡之力”。作为有性生殖的补充,孤雌生殖能在环境恶劣(想想灯塔水母)、缺乏雄性(想想...)的情况下,维持个体的繁衍与种群的更新。

  然而,在脊椎动物中更高等的哺乳动物中,孤雌生殖却是行不通的。科学家在实验室里把两个卵细胞组合,人工构建出孤雌胚胎,然而,这些胚胎都不能正常发育。在爬行类和两栖类不存在、而在哺乳类进化出来的印记基因,被认为是阻碍哺乳动物孤雌生殖的重要因素(哺乳动物:确定这是进化?剧本拿错了吧)。目前,已经发现的印记基因超过100个。印记基因的作用在于,促进遗传信息的交流,加快传播有利的新突变,避免种群基因库的退化。

  东京农业大学Kono实验室曾在未成熟卵中删除了2个印记控制区段,成功得到了活的孤雌小鼠,首次实现了哺乳动物的孤雌生殖,引起广泛关注。然而,这些“无父”小鼠的发育异常,也不爱动弹(敲黑板:无父鸡之力?)。对科学家来说,新的问题随之而来:为什么在众多印记区段中,仅仅改变两个即可实现孤雌生殖?这些孤雌小鼠为什么有发育缺陷?(哺乳动物:问问问,你以为有人会回答你吗?)

  孤雌单倍体干细胞:不是葵花宝典,而是九阴真经

  中国科学院动物研究所的研究团队,结合单倍体干细胞技术和基因编辑技术,对这些问题进行了探索(团队成员:嘿嘿嘿)。该研究团队首先发现,由卵细胞建立的孤雌单倍体干细胞,在高代次条件下,删除与Kono实验室相同的两个印记区段,再注射进第二个卵细胞后,同样能发育得到“两个母亲”的孤雌小鼠(读者一脸懵:我快跟不上了)。

  进一步研究发现,高代次的孤雌单倍体细胞展现出了一种不同于卵子或较低代次细胞,反而类似原始生殖细胞的全基因组甲基化模式,且所有的印记区段都呈现出类似原始生殖细胞的“无印记”状态。这揭示了为何 “仅仅删除2个”印记区段,就能获得孤雌小鼠:实际上,所有继承自卵细胞的印记基因,在孤雌单倍体干细胞中都经历了印记模式的“重新修正”。与此结果一致的是,研究人员发现在孤雌小鼠中,除了一个印记基因(Rasgrf1)表达显著异常之外,其他所有印记基因都与正常小鼠无异(研究团队:跟不上了?没关系。简单说吧,就是一个卵细胞来源的孤雌细胞,注射到另一个卵细胞里,得到了一只没有父亲的小鼠)。

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  发育正常的孤雌小鼠和她的后代

  利用单倍体干细胞易于基因编辑的特性,研究人员进一步在孤雌单倍体干细胞中同时删除了包含Rasgrf1在内的三个印记区段(单倍体细胞:手动斜眼)。结果证实,Kono获得的孤雌小鼠的多种发育缺陷,确实是Rasgrf1的异常所导致的:人们首次获得了在发育、行为、代谢和生育力上均与正常小鼠无异的孤雌小鼠(小鼠:无父鸡之力?说谁捏?)。更令人惊讶的是,在由精子建立的孤雄单倍体干细胞中,同样发现了类似原始生殖细胞的甲基化模式。这意味着,自然环境下,低等脊椎动物中都不存在的“孤雄生殖”,也许能在哺乳动物中实现(萧峰自带BGM响起。萧峰:为什么是我?完颜阿骨打:萧大哥你怎么不早说!)。

  孤雄单倍体干细胞:同性生殖的九阳神功

  在孤雄单倍体干细胞中,研究人员筛选并最终删除了7个重要的印记控制区段。这些细胞与另一颗精子所形成的孤雄胚胎干细胞,发育成为了活的孤雄小鼠(小鼠迷迷瞪瞪:我从哪来?)。这些孤雄小鼠外观正常,可以自主呼吸,但是都在出生后48小时内死亡(小鼠:我还是先睡吧~)。这是首次获得具有两个父系基因组的孤雄小鼠,证实了在最高等的哺乳动物中,能够实现孤雄生殖。

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  孤雄小鼠

  总结下来,该项研究利用单倍体胚胎干细胞技术作为平台,系统证明了哺乳动物中跨越同性生殖障碍,需要经历三步:1、单倍体干细胞展现出类似原始生殖细胞的“无印记”模式;2、在单倍体干细中对特定印记区段进行修饰,建立新的印记模式;3、结合卵母细胞注射或四倍体囊胚补偿技术获得孤雌或孤雄动物。同时也证实了,更完善的印记修饰能够完全跨越孤雌生殖障碍,获得健康发育的孤雌动物。而得到孤雄小鼠则需要更多的印记修饰。同时,所有的孤雄小鼠均无法存活至成年。这意味着相比孤雌生殖,哺乳动物的孤雄生殖有着更多的障碍。这些发现对理解基因组印记的进化、功能和调控具有重要意义,对于开发新的动物繁育手段也有重要的价值。

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  图解跨越同性生殖障碍

  相关成果于2018-11-14在国际知名学术期刊Cell Stem Cell发表。该研究工作由中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院完成。中国科学院动物研究所胡宝洋研究员、周琪研究员和李伟研究员为论文的共同通讯作者;博士后李治琨、王乐韵、博士生王立宾、袁雪薇以及冯桂海副研究员为共同第一作者。该研究受到中科院战略科技先导专项及科技部、基金委等项目的资助。(作者:李治琨 系中国细胞生物学学会干细胞生物学分会会员

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