兩個鼠爸也能生出一只鼠寶？這并非天方夜譚。

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

這項突破性進展一經發(fā)布，就引發(fā)國際學術界的廣泛關注，被認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：精子與卵子結合是不可或缺的環(huán)節(jié)，爸爸和媽媽一個都不能少。

兩枚精子或者兩枚卵子能夠誕生新生命嗎？科學界一度認為這是不可能的。從20世紀80年代起，科學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90年代初，科學家才找到這一問題的關鍵——印記基因。“普通基因平等表達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，另一方則默默‘隱身’?！闭撐耐ㄓ嵶髡呃顐Α吨袊茖W報》說。

也就是說，印記基因憑借獨特的表達方式，關上了單親繁殖的大門。

科學家希望打開這扇大門。2004年，日本東京農業(yè)大學的Tomohiro Kono團隊通過精準修改關鍵印記基因H19的調控區(qū)，首次成功培育出“雙媽”小鼠。這些小鼠不僅存活至成年，還展現了令人驚奇的特性——雖然體重遠低于正常小鼠，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，科學界把目光轉向了孤雌生殖的對立面——孤雄生殖。事實上，自然界的脊椎動物中至今未發(fā)現純雄性繁殖的真實事例，這使得孤雄生殖更像是存在于理論中的奇妙構想。

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

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

真正的突破在2018年。周琪、李偉等中國科學家不僅創(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胞，創(chuàng)造出“純雄性”受精卵，并首次誕生了存活48小時的“雙爸”鼠寶。

這項研究不僅證實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，浮腫嚴重，無法正常呼吸和活動，短時間內就不幸死亡。

這一結果再次證明，哺乳動物的孤雄生殖比孤雌生殖更難實現。

但研究團隊并未就此止步。

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？

研究團隊在追本溯源的過程中發(fā)現，多個印記基因與孤雄胚胎的發(fā)育問題緊密相關。特別是當父源DNA異常二倍化時，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。

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

研究團隊對孤雄小鼠進行了解剖，結果令人震驚。它們的水腫不僅出現在體表，還蔓延到內臟器官，導致部分器官顯著腫大，肝臟甚至比正常小鼠大5倍?；谶@一異常現象，他們提出了一個大膽的假設：孤雄小鼠的死亡，或許是因為內臟器官過度膨脹，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，研究團隊決定進行第二輪基因編輯，目標不僅是修復導致胚胎死亡的印記基因，還擴展到所有可能與胚胎過度生長相關的區(qū)域。經過先后五輪對19個不同印記區(qū)段進行基因編輯，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。要實現完整的孤雄生殖，還有一個重要挑戰(zhàn)——胎盤。由于孤雄胚胎無法發(fā)育出正常胎盤，他們就巧妙運用“四倍體補償”技術，為胚胎發(fā)育提供了所需的胎盤組織。通過進一步修復孤雄胎盤中一些印記基因的異常表達，他們終于成功構建了攜帶20個印記區(qū)段基因編輯的孤雄單倍體胚胎干細胞，并將其與精子共同注入去核卵細胞，成功轉化為可存活的胎兒和功能完整的胎盤。

“采用這種方式構建的孤雄小鼠，與普通小鼠有顯著不同。它們的體重增長迅速，當普通小鼠體重達到20克時，孤雄小鼠體重大約為30克。孤雄小鼠還表現出更強的探索欲，在曠場實驗中頻繁進入中心區(qū)域，這與嚙齒類動物沿邊緣活動的習性大相徑庭。”李治琨說。

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。在曠場實驗中，孤雌小鼠幾乎總是沿著邊緣活動，很少進入中心區(qū)域。這種孤雄與孤雌小鼠行為上的“鏡像”現象，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%。據介紹，實驗室中，孤雄小鼠出生后3至6個月為性成熟到壯年，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，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)現不僅在大腦、小腦和多種內臟器官的甲基化檢測中得到了驗證，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未完全修復的殘余基因印記。

“這些發(fā)現提供了強有力的證據，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胞和克隆動物的發(fā)育結果，為再生醫(yī)學發(fā)展開拓了一條充滿希望的道路?！?/span>

改寫印記基因認知

“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雜角色提供了新視角。

研究表明，印記基因的演化目標并非直接阻止單性生殖，而是與單性生殖存在間接聯系，可調控胚胎發(fā)育過程中的資源分配和空間適應，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?！斑@一過程符合經典的沖突假說——印記基因的演化和生殖障礙沒有直接關聯，而是通過調控胚胎在母體子宮內的發(fā)育，幫助胎兒適應有限空間。”他說，“母源印記基因傾向于‘縮小’胎兒體積，以適應有限的子宮空間；父源印記基因則通過‘增大’胎兒體積，提高后代生存概率。”

“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品?！崩顐パa充說，這也為探索基因與環(huán)境適應的復雜關系提供了寶貴線索。

李治琨也表示，當體內有兩套父本DNA時，胚胎往往會過度生長，這種生物學上的不可持續(xù)性最終會影響其存活。這些單獨的異常并不致命，且一旦得到修復，就能夠產生可存活的個體。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，而大多數活到成年的小鼠的壽命都縮短了，且是不育的?！叭孕枰ㄟ^進一步優(yōu)化印記基因的修飾方案，培育出更健康的孤雄小鼠，最終為印記相關疾病帶來新的治療策略。”李治琨說。

下一步，該團隊將繼續(xù)研究如何通過修飾印記基因產生具有更高發(fā)育潛能的胚胎。他們還計劃將這些在小鼠中開發(fā)的實驗方法擴展到猴子等更大的動物模型中。不過，這需要相當多的時間和努力，因為猴子的印記基因組合與小鼠的有很大不同。

值得注意的是，雖然該技術展示了巨大潛力，但在應用于人類之前還需克服許多倫理和技術問題。當前，國際干細胞研究學會的倫理指南禁止將此類技術用于人類生殖目的，認為其安全性尚未得到充分驗證。

隨著技術的進步，未來某一天或有望實現相關醫(yī)學應用。

相關論文信息：http://doi.org/10.1016/j.stem.2025.01.005

（原載于《中國科學報》?2025-02-05?第1版?要聞）