中国学者Cell Stem Cell重要成果:来自两个爸爸的胚胎

来自中科院动物研究所的研究人员发表了题为“Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions”的文章,首次获得具有两个父系基因组的孤雄小鼠,证实了即便在最高等的哺乳动物中,孤雄生殖也有可能实现。

这一研究成果公布在10月11日的Cell Stem Cell杂志上,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。

同性生殖的现象在动物中并不罕见,例如在爬行类的蜥蜴,两栖类的蛙,以及多种鱼类中,都有“孤雌生殖”现象:即不经过与雄性的交配,雌性个体即可生下后代。作为有性生殖的补充,孤雌生殖能在缺乏雄性的情况下,维持个体的繁衍与种群的更新。与孤雌生殖对应的孤雄生殖则极其罕见,迄今只在一种斑马鱼中发现孤雄生殖。

然而对于高等哺乳动物,无论孤雌生殖或孤雄生殖都不存在。科学家们人工构建出的孤雌或孤雄胚胎均在发育早期死亡。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同性生殖的重要因素。

目前已经发现的印记基因超过100个,随机分布于染色体的数十个区段上,表达模式由印记控制区段的差异甲基化来控制。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。然而许多新的科学问题也随之而来: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?孤雄生殖有可能在最高等的哺乳动物中实现吗?

中科院动物研究所研究团队结合单倍体干细胞技术基因编辑技术对这些问题进行探索。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并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。

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。

利用单倍体干细胞易于基因编辑的特性,研究人员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。发育结果证实,Kono获得的孤雌小鼠的多种缺陷,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。

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,在低等脊椎动物中罕见的孤雄生殖,有可能在哺乳动物中实现。

研究人员在孤雄单倍体干细胞中,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。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。这是首次获得具有两个父系基因组的孤雄小鼠,证实了即便在最高等的哺乳动物中,孤雄生殖也有可能实现。

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的三步: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。该研究也证实了,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。得到孤雄小鼠需要更多的印记修饰,而所有的孤雄小鼠均无法存活至成年,意味着相比孤雌生殖,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、调控和功能具有重要意义,对于开发新的动物生殖手段也有重要价值。

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