這項重磅研究,近日刊登在《美國科學(xué)院院刊》(PNAS)上。
單性繁殖,也稱為孤雌繁殖(parthenogenesis)。這種僅靠雌性“一己之力”就可以產(chǎn)生后代的生殖方式,在整個動物界中其實并不罕見,昆蟲、鳥類、爬行動物、兩棲動物中有不少例子。
然而,哺乳動物的新生命總是起始于卵細胞與精細胞的結(jié)合。究其原因,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),與一種叫做“基因組印記”(genomic imprinting)的現(xiàn)象有關(guān)。這是指,由父親或母親提供的基因,有一些會被貼上“甲基化”的化學(xué)標簽而失去活性。來自父母雙方的基因組湊在一起,產(chǎn)生互補,后代才能正常發(fā)育。這也就意味著,單單一方提供的遺傳物質(zhì),因為一些關(guān)鍵基因無法正確表達,會讓胚胎發(fā)育或是產(chǎn)后的生長發(fā)育受到阻礙。
既然如此,如果能消除或改變“基因組印記”,是不是可以消除生殖方式的障礙?過去幾年里有很多科學(xué)家以不同的方式做出嘗試。比如,同樣來自中國的一支研究團隊,曾利用干細胞技術(shù)與基因編輯技術(shù),通過“抹除”基因組印記,培育出了雙親都是同一性別的小鼠。
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此次研究中,科學(xué)家們靶向甲基化差異進行編輯,通過改寫七個關(guān)鍵的基因組印記控制區(qū)域,最終實現(xiàn)了只需要單個小鼠的卵母細胞就能產(chǎn)生后代。
這些基因組印記控制區(qū)域通過甲基化程度的高低調(diào)節(jié)了兩組關(guān)鍵基因的打開或關(guān)閉。研究人員從雌性小鼠身上取出卵母細胞后,用CRISPR基因編輯系統(tǒng)處理細胞,定位到其中一組基因的基因組印記控制區(qū)域,通過添加甲基化將其關(guān)閉;同時,定位到另一組基因,通過去甲基化將其打開。這樣一來,可以分別模擬正常受精卵細胞中來自父親和母親的基因組印記,最終使未受精的卵母細胞具有類似于受精卵細胞的特征。
經(jīng)過編輯的卵母細胞在體外發(fā)育到早期胚胎階段后,研究人員將這些單性生殖胚胎植入雌性小鼠子宮,讓它們繼續(xù)在體內(nèi)發(fā)育。研究人員們培育并移植了192例胚胎,有3只小鼠足月誕生。
最終,有一只單性生殖小鼠不僅順利存活到成年,而且還在成年后通過正常的生殖方式產(chǎn)下后代。
研究人員通過測序驗證,幸存的這只小鼠所有經(jīng)過編輯的基因組印記控制區(qū)域都表現(xiàn)出了正確的甲基化模式。而出生后早夭或是未能存活下來的胚胎,七個關(guān)鍵基因組印記控制區(qū)域中未能全部編輯成功或是印記丟失。這一分析結(jié)果突顯了關(guān)鍵基因組印記控制區(qū)域在胚胎生長發(fā)育中的重要性,也為進一步提高這項技術(shù)的成功比例指出了方向。
研究人員在論文最后指出:“哺乳動物單性生殖的成功將為農(nóng)業(yè)、研究和醫(yī)學(xué)開辟許多機會。”
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