你敢信，现在只用1个卵细胞，就能“生”出健康小鼠了!

科学家们现在通过一些特殊方法，用单个卵细胞就能创造出健康的小鼠。

生下来的小鼠不仅活到了成年，还有了自己的后代。

这种现象被称为孤雌生殖，此前一直没能在哺乳动物中真正实现。

孤雌生殖在爬行动物或某些鱼虫鸟类中比较常见，哺乳动物此前虽然用2个卵细胞实现过同性繁殖，但单个细胞还没有成功过。

这篇最新的研究来自上海交通大学医学院附属济仁医院等单位，目前已经发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

来看看科学家们是怎么完成这一突破的。

用基因编辑模拟受精过程

事实上，孤雌生殖在自然界并不少见，但在哺乳动物身上却一直难以实现。

这是因为，生物细胞中的一些印记基因，会在正常受精过程中，让细胞中的某些等位基因1个表达而另1个不表达(正常来说应该都表达)。

也就是说，我们中学生物学的孟德尔遗传定律，在印记基因这里不适用，因为印记基因可能会让雌雄DNA在组合时，强行表达其中一方的基因。

这个过程，对于哺乳动物的胎儿生长非常关键：

印记基因对哺乳动物胎儿的生长和行为发育起着至关重要的作用，异常表达可能会导致个体出现过度生长、生长迟缓、智力障碍、行为异常等疾病。

因此，要想让哺乳动物通过单个卵细胞生长存活，就需要通过基因编辑的方法，在卵细胞上模拟出受精卵的情况。

具体原理，就是利用甲基化酶和去甲基化酶，来让DNA中的某些基因表达，另一些基因沉默。

这是因为，基因的甲基化能影响转录过程，使得基因沉默。

如果能完成这些基因的甲基化或去甲基化，就能让卵细胞模拟出接受精子后的正常受精状态。

通过进一步研究，科学家们确定了7个需要被表达或沉默的基因，其中2个是父系基因组印记，5个是母系基因组印记。

其中，2个父系基因组印记H19和Gtl2在表达时，会出现抑制代谢活动、不生成蛋白质，从而让胚胎无法正常发育。

因此，研究团队使用CRISPR-dCas9通过Dnmt3a甲基化酶，将这两个基因的控制区域进行了甲基化。

而5个母系基因组印记控制区域Igf2r、Snrpn、Kcnq1ot1、Nespas和Peg10如果不表达，则会出现胚胎致死、或是严重影响其发育。

因此，研究人员又使用CRISPR-dCpf1通过Tet1去甲基化酶，实现了这5个基因控制区域的去甲基化。

当然，这些都还是理论，如果能完成这些基因的甲基化或去甲基化，就能让卵细胞模拟出接受精子后的正常受精状态。

具体实验结果究竟如何呢?

后代身体情况正常，可繁殖后代

在实验中，研究人员按照如上方法构建出了389个孤雌胚胎。

经过人工激活，其中227个为可培育的重构卵母细胞。

在体外培养后，有192个卵母细胞是可以正常发育到囊胚期，即胚泡。然后再将这些胚泡转移到了14只雌性小鼠体内。

最终，共产下了3只幼崽，其中2只体重过低，并表现出生长迟缓的迹象，在出生后24小时内死亡。

剩下1只幼崽体重正常，成功长到了成年期，还能正常繁殖后代，并且其体内的原发性印记障碍也不会遗传给下一代。

不过这只“幸运儿”在发育过程中，也同样表现出了生长迟缓的迹象，体重也比对照组低了19.8%。

研究人员发现，这只小鼠的Rasgrf1基因表达水平较低。

为了验证生长延缓和这一基因表达情况是否有关，研究人员对Rasgrf1进行了额外的甲基化编辑。

为此，他们培育了155个新型的孤雌胚胎，最后得到了2只小鼠后代。

结果显示，这两只小鼠在Rasgrf1基因表达正常，体重也与普通小鼠处于同一水平。

也就是说，Rasgrf1基因的表达确实会影响孤雌生殖小鼠后代的生长发育情况。

总之，这些实验数据可以表明，通过对多个ICR进行适当的表观遗传调控，就能在哺乳动物中实现孤雌生殖。

这一结论也符合亲本冲突假说，即父本、母本基因组印记的平衡，对于哺乳动物的发育至关重要。

至于为什么这一孤雌生殖方法只能培育出极少数的后代，研究人员给出了两点看法。

第一，可能是能够成功编辑基因的胚胎，并没有挑选出来的那么多;

第二，也可能是错过了其他重要的基因座，比如Grb10基因也被发现参与了繁殖过程。

在实际应用层面，这项研究为生殖繁育、遗传病研究开拓了道路。

目前，科学家们正在探索用基因编辑的方法治疗由单个基因调控的遗传病，比如囊性纤维化、血友病和镰状细胞病等。

另外还有希望用于治疗、预防癌症、心脏病、HIV方面。

这项研究同样也在网上引起了热议，震惊于这项研究成果的同时，大家也开始猜想它未来会在哪些领域发挥巨大作用。

不清楚这项研究对农业和医疗，会有多大帮助。

可以的话，不知道能不能实现两个单倍体玉米的繁育。

与此前研究有什么不同?

实际上，使用孤雌繁殖的方法来培育哺乳动物后代，科学家们早就有所尝试。

比如2018年中科院曾有一项发表在Cell Stem Cell上的研究，也是不依靠受精，就让小鼠完成了繁育。

最终得到的后代可以正常生长。

不过与最近的这项研究不同，中科院方面的工作是用上了两个卵细胞，也就是双亲繁殖。

原理还是利用了遗传印记。

实验中，研究人员通过删除遗传印记的方式，让卵母细胞中的母本特定基因正常表达。

这个过程可以被视为是一种“性别转化”，即模仿精子的行为。

然后，将完成转换的卵母细胞与另一只雌鼠的卵细胞结合，诱导胚胎发育成熟。

最终，研究人员培育的210个胚胎中，有29个小鼠出生，它们在发育、行为、代谢等方面都与普通小鼠无异，并有7只小鼠正常繁育下后代。

如此高的成功率，是因为中科院团队发现了单倍体胚胎干细胞中的基因组印记更少，潜在的影响也更容易消除。

利用CRISPR-Cas9，研究人员一共删除了3个遗传印记，分别是H19、IG和Rasgrf1。

这也解决了此前日本科学家在首次实现孤雌生殖时，繁育率过低、小鼠生长发育存在缺陷的问题。

此外，中科院的科学家们还尝试了孤雄繁殖。

使用类似的方法，研究人员删除了雄性小鼠单倍体干细胞中的7个印记区。

随后他们将这一干细胞与另一精子结合，注射到去核卵细胞中，使后代基因完全来自两个“父亲”。

实验最终得到了12只孤雄生殖小鼠，虽然它们在出生后可以自主呼吸，但还是仅仅只存活了两天。