兩個(gè)鼠爸也能生出一只鼠寶？這并非天方夜譚。

1月29日，一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞-干細(xì)胞》的研究宣布了這一科學(xué)成果。中國科學(xué)院動物研究所研究員周琪、李偉，副研究員李治琨，以及中山大學(xué)教授駱觀正等合作，利用胚胎干細(xì)胞工程技術(shù)，成功培育出只有兩個(gè)鼠爸的小鼠，而且小鼠創(chuàng)紀(jì)錄地活到了成年。

這項(xiàng)突破性進(jìn)展一經(jīng)發(fā)布，就引發(fā)國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為克服了哺乳動物單性生殖中前所未有的難題。

從不可能到可能

歡快踱步的家雞、威風(fēng)凜凜的科莫多巨蜥、呱呱鳴叫的蛙類，這些人們熟知的動物都能孤雌生殖——在沒有爸爸的情況下孕育新生命。

但在哺乳動物的世界里，孤雌生殖或單性生殖現(xiàn)象從未被觀察到。哺乳動物遵循受精卵發(fā)育的法則：精子與卵子結(jié)合是不可或缺的環(huán)節(jié)，爸爸和媽媽一個(gè)都不能少。

兩枚精子或者兩枚卵子能夠誕生新生命嗎？科學(xué)界一度認(rèn)為這是不可能的。從20世紀(jì)80年代起，科學(xué)家就踏上了哺乳動物單性生殖研究的征途。而最初的嘗試令人沮喪，盡管他們能夠培育出全母源胚胎，但一旦將其移植到母體子宮，就像被施了魔咒一樣，無一例外地停止發(fā)育，最終胎死腹中。

直到20世紀(jì)90年代初，科學(xué)家才找到這一問題的關(guān)鍵——印記基因?！捌胀ɑ蚱降缺磉_(dá)父母雙方的遺傳信息，而印記基因卻很‘任性’，只從父本或母本一方表達(dá)，另一方則默默‘隱身’?！闭撐耐ㄓ嵶髡呃顐Α吨袊茖W(xué)報(bào)》說。

也就是說，印記基因憑借獨(dú)特的表達(dá)方式，關(guān)上了單親繁殖的大門。

科學(xué)家希望打開這扇大門。2004年，日本東京農(nóng)業(yè)大學(xué)的Tomohiro Kono團(tuán)隊(duì)通過精準(zhǔn)修改關(guān)鍵印記基因H19的調(diào)控區(qū)，首次成功培育出“雙媽”小鼠。這些小鼠不僅存活至成年，還展現(xiàn)了令人驚奇的特性——雖然體重遠(yuǎn)低于正常小鼠，但壽命長了28%。

“雙媽”鼠寶發(fā)育異常是什么引起的？為揭開這一問題的面紗，科學(xué)界把目光轉(zhuǎn)向了孤雌生殖的對立面——孤雄生殖。事實(shí)上，自然界的脊椎動物中至今未發(fā)現(xiàn)純雄性繁殖的真實(shí)事例，這使得孤雄生殖更像是存在于理論中的奇妙構(gòu)想。

“這背后有深層次的生物學(xué)原因?！闭撐牡谝患嫱ㄓ嵶髡呃钪午颉吨袊茖W(xué)報(bào)》解釋說，“卵子不僅提供遺傳物質(zhì)，還在胚胎發(fā)育初期為其提供所有必需的物質(zhì)——蛋白質(zhì)、RNA、初始細(xì)胞器等，這些復(fù)雜的分子機(jī)器是生命起始的關(guān)鍵。而精子只是微小的遺傳信息載體，缺乏‘啟動工具’，無法獨(dú)自支撐胚胎正常發(fā)育?！?/p>

2011年，美國得克薩斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)從雄性小鼠體內(nèi)獲取干細(xì)胞，在培養(yǎng)過程中使其部分丟失Y染色體變成“雌性”干細(xì)胞，基于此培育出具有雙父本遺傳信息的小鼠。這證實(shí)了孤雄生殖的可能性，但并未解決更深層的遺傳調(diào)控問題。

真正的突破在2018年。周琪、李偉等中國科學(xué)家不僅創(chuàng)造出能夠健康長大并繁衍后代的“雙媽”小鼠，還將小鼠精子注入去核卵細(xì)胞，創(chuàng)造出“純雄性”受精卵，并首次誕生了存活48小時(shí)的“雙爸”鼠寶。

這項(xiàng)研究不僅證實(shí)了孤雄生殖的可能性，更為印記基因編輯翻開了新的篇章。但奇跡背后，科研人員心中仍然存在遺憾與困惑：“雙爸”小鼠的外形和正常小鼠截然不同，像一只奇怪的“小海象”，體長只有約3厘米，身體胖乎乎的，四肢短小，浮腫嚴(yán)重，無法正常呼吸和活動，短時(shí)間內(nèi)就不幸死亡。

這一結(jié)果再次證明，哺乳動物的孤雄生殖比孤雌生殖更難實(shí)現(xiàn)。

但研究團(tuán)隊(duì)并未就此止步。

突破“雙爸”鼠寶的發(fā)育瓶頸

“雙爸”鼠寶發(fā)育缺陷背后，有哪些未解之謎？

研究團(tuán)隊(duì)在追本溯源的過程中發(fā)現(xiàn)，多個(gè)印記基因與孤雄胚胎的發(fā)育問題緊密相關(guān)。特別是當(dāng)父源DNA異常二倍化時(shí)，這些印記基因區(qū)域就像絆腳石，阻礙胚胎的正常發(fā)育。已知的這些印記區(qū)域包括Nespas、Igf2r、Kcnq1、Peg3、Snrpn和Grb10等。

如同修補(bǔ)破損的拼圖一樣，研究團(tuán)隊(duì)在孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞中逐一修復(fù)這些印記區(qū)域，再將經(jīng)過基因編輯的胚胎干細(xì)胞與另一枚精子共同注入去核卵細(xì)胞。然而，即便如此，“小海象”的出現(xiàn)仍說明孤雄胚胎的發(fā)育瓶頸未徹底突破。

研究團(tuán)隊(duì)對孤雄小鼠進(jìn)行了解剖，結(jié)果令人震驚。它們的水腫不僅出現(xiàn)在體表，還蔓延到內(nèi)臟器官，導(dǎo)致部分器官顯著腫大，肝臟甚至比正常小鼠大5倍。基于這一異?，F(xiàn)象，他們提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：孤雄小鼠的死亡，或許是因?yàn)閮?nèi)臟器官過度膨脹，壓迫胸腔和其他器官，影響了正常的生理功能所致。

基于這一假設(shè)，研究團(tuán)隊(duì)決定進(jìn)行第二輪基因編輯，目標(biāo)不僅是修復(fù)導(dǎo)致胚胎死亡的印記基因，還擴(kuò)展到所有可能與胚胎過度生長相關(guān)的區(qū)域。經(jīng)過先后五輪對19個(gè)不同印記區(qū)段進(jìn)行基因編輯，他們終于看到了曙光：孤雄小鼠的體重逐漸下降，內(nèi)臟器官腫大和水腫等異常癥狀開始緩解，最終約30%的孤雄小鼠成功存活至成年。

然而，這只是踢開了孤雄生殖道路上的一塊絆腳石。要實(shí)現(xiàn)完整的孤雄生殖，還有一個(gè)重要挑戰(zhàn)——胎盤。由于孤雄胚胎無法發(fā)育出正常胎盤，他們就巧妙運(yùn)用“四倍體補(bǔ)償”技術(shù)，為胚胎發(fā)育提供了所需的胎盤組織。通過進(jìn)一步修復(fù)孤雄胎盤中一些印記基因的異常表達(dá)，他們終于成功構(gòu)建了攜帶20個(gè)印記區(qū)段基因編輯的孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞，并將其與精子共同注入去核卵細(xì)胞，成功轉(zhuǎn)化為可存活的胎兒和功能完整的胎盤。

“采用這種方式構(gòu)建的孤雄小鼠，與普通小鼠有顯著不同。它們的體重增長迅速，當(dāng)普通小鼠體重達(dá)到20克時(shí)，孤雄小鼠體重大約為30克。孤雄小鼠還表現(xiàn)出更強(qiáng)的探索欲，在曠場實(shí)驗(yàn)中頻繁進(jìn)入中心區(qū)域，這與嚙齒類動物沿邊緣活動的習(xí)性大相徑庭?！崩钪午f。

孤雌小鼠不僅體重增長模式與孤雄小鼠相反，行為上也形成了鮮明對比。在曠場實(shí)驗(yàn)中，孤雌小鼠幾乎總是沿著邊緣活動，很少進(jìn)入中心區(qū)域。這種孤雄與孤雌小鼠行為上的“鏡像”現(xiàn)象，令人驚嘆不已。

此外，它們的壽命也有明顯差異。孤雌小鼠壽命較長，而孤雄小鼠的壽命僅為普通小鼠的60%。據(jù)介紹，實(shí)驗(yàn)室中，孤雄小鼠出生后3至6個(gè)月為性成熟到壯年，平均壽命為354天，而普通小鼠壽命為589天。

對孤雌和孤雄小鼠的DNA甲基化檢測發(fā)現(xiàn)，孤雌小鼠印記基因的甲基化特征與卵子的甲基化模式高度相似，而孤雄小鼠則更多保留了精子的甲基化特征。這一發(fā)現(xiàn)不僅在大腦、小腦和多種內(nèi)臟器官的甲基化檢測中得到了驗(yàn)證，也為理解它們在體重、行為和壽命上的差異提供了新線索。這些差異很可能源于它們體內(nèi)未完全修復(fù)的殘余基因印記。

“這些發(fā)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明印記異常是哺乳動物單性繁殖的主要障礙。”論文共同通訊作者駱觀正說，“這種方法可以顯著改善胚胎干細(xì)胞和克隆動物的發(fā)育結(jié)果，為再生醫(yī)學(xué)發(fā)展開拓了一條充滿希望的道路?！?/span>

改寫印記基因認(rèn)知

“雙爸”小鼠研究，為揭示印記基因在單性生殖障礙中所扮演的復(fù)雜角色提供了新視角。

研究表明，印記基因的演化目標(biāo)并非直接阻止單性生殖，而是與單性生殖存在間接聯(lián)系，可調(diào)控胚胎發(fā)育過程中的資源分配和空間適應(yīng)，間接影響單性生殖的成功率。

李偉表示，“雙爸”小鼠研究表明，印記基因調(diào)控母源與父源基因的相互作用，影響胚胎發(fā)育，間接決定了孤雄或孤雌小鼠的誕生。“這一過程符合經(jīng)典的沖突假說——印記基因的演化和生殖障礙沒有直接關(guān)聯(lián)，而是通過調(diào)控胚胎在母體子宮內(nèi)的發(fā)育，幫助胎兒適應(yīng)有限空間。”他說，“母源印記基因傾向于‘縮小’胎兒體積，以適應(yīng)有限的子宮空間；父源印記基因則通過‘增大’胎兒體積，提高后代生存概率?！?/p>

“孤雄與孤雌小鼠在體重、行為和壽命上的鏡像差異，正是父母基因博弈的副產(chǎn)品?！崩顐パa(bǔ)充說，這也為探索基因與環(huán)境適應(yīng)的復(fù)雜關(guān)系提供了寶貴線索。

李治琨也表示，當(dāng)體內(nèi)有兩套父本DNA時(shí)，胚胎往往會過度生長，這種生物學(xué)上的不可持續(xù)性最終會影響其存活。這些單獨(dú)的異常并不致命，且一旦得到修復(fù)，就能夠產(chǎn)生可存活的個(gè)體。這些都表明，印記基因并非直接阻止單性生殖。

不過，研究人員指出，這項(xiàng)研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，目前僅11.8%的“雙爸”存活胚胎能夠發(fā)育到出生，并非所有幼崽都能存活至成年，而大多數(shù)活到成年的小鼠的壽命都縮短了，且是不育的?！叭孕枰ㄟ^進(jìn)一步優(yōu)化印記基因的修飾方案，培育出更健康的孤雄小鼠，最終為印記相關(guān)疾病帶來新的治療策略?！崩钪午f。

下一步，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究如何通過修飾印記基因產(chǎn)生具有更高發(fā)育潛能的胚胎。他們還計(jì)劃將這些在小鼠中開發(fā)的實(shí)驗(yàn)方法擴(kuò)展到猴子等更大的動物模型中。不過，這需要相當(dāng)多的時(shí)間和努力，因?yàn)楹镒拥挠∮浕蚪M合與小鼠的有很大不同。

值得注意的是，雖然該技術(shù)展示了巨大潛力，但在應(yīng)用于人類之前還需克服許多倫理和技術(shù)問題。當(dāng)前，國際干細(xì)胞研究學(xué)會的倫理指南禁止將此類技術(shù)用于人類生殖目的，認(rèn)為其安全性尚未得到充分驗(yàn)證。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來某一天或有望實(shí)現(xiàn)相關(guān)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1016/j.stem.2025.01.005

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2025-02-05?第1版?要聞）