Cell Stem Cell|貝瑞基因助力中科院動物研究所突破哺乳動物有性生殖的“枷鎖”

一年一度的光棍節又快來臨啦,沒有男盆友或者女盆友的廣大同胞們,在親朋好友的催促下,你們是不是被逼的恨不得對身邊的同性下手?有句話在同性戀同伴中一直流傳著:異性在一起是為了繁衍后代,同性在一起才是真愛!那么,現在告訴大家一個激動人心的好消息,同性在一起也可以傳宗接代啦!

最近,同性老鼠喜獲結晶的消息在生物界內炸了鍋,貝瑞基因助力中國科學院動物研究所的李偉課題組、周琪課題組與胡寶洋課題組,在《Cell Stem Cell》期刊上發表了這一篇文章,利用單倍體干細胞和基因編輯技術,培育出雙親是同一性別的小鼠,首次突破了哺乳動物同性生殖障礙!下面小編將帶您見證科學家們是如何一步步讓兩只同性小鼠產生了愛的結晶。

文章標題:Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from?Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting?Region Deletions

發表雜志:Cell Stem Cell

影響因子:23.29

發表時間:2018 年10月11?日

?

同性生殖:孤雌生殖與孤雄生殖

同性生殖的現象在動物中并不罕見,例如,在爬行類的蜥蜴,兩棲類的蛙,以及多種魚類中,即不經過與雄性的交配,雌性個體即可生下后代。也就是“孤雌生殖”。它能夠作為有性生殖的補充,維持個體的繁衍與種群的更新。與孤雌生殖對應的孤雄生殖卻極其罕見,迄今只在一種斑馬魚中發現孤雄生殖。

雖然人類對同性生殖背后機制的認知十分有限,但是對于高等哺乳動物而言,無論是孤雌生殖還是孤雄生殖在自然條件下都無法實現。即便人工構建出孤雌或孤雄胚胎,它們都在發育早期就死亡了。

?

基因印記,阻礙同性結合的封印

究竟是什么阻礙了哺乳動物的同性生殖?我們知道,哺乳動物的有性生殖是比無性生殖更高級的一種生殖方式,為了保證這種生殖方式在競爭中處于不敗之地,大自然還給哺乳動物的精子和卵子加了不可替換、不可逆轉的“封印”——印記基因。

基因印記是指附著在DNA、負責關閉基因表達的化學標簽,屬于表觀遺傳學修飾。某些特殊位點的基因受到印記的影響,只表達父源或者母源的等位基因,這可以阻止這些物種在缺乏母親(母本)或父親(父本)DNA 的情況下產生后代。目前的研究發現了大約100 個基因屬于基因組中的“印記”基因,這些基因的兩份拷貝中只有一個是激活的,而另一個是沉默的,即只表達父源或者母源的等位基因。

此外,研究發現,當胚胎中只擁有這個基因的母源拷貝或父源拷貝,那么就會出現胚胎生長發育障礙,甚至是胚胎死亡。這說明,只有同時攜帶父母雙方的染色體的后代才能正常發育,這正是同性來源的胚胎無法正常發育的原因。

?

解除封印,實現雌性伴侶的生殖

為了解除這個“封印”,動物研究所研究團隊結合單倍體干細胞技術和基因編輯技術對這些問題進行探索。該研究團隊首先發現,由卵細胞建立的孤雌單倍體干細胞,在高代次條件下,刪除兩個印記區段并注射進第二個卵細胞后,能發育得到“兩個母親”的孤雌小鼠(圖1),這驗證了早些年來自日本的研究團隊曾通過刪除未成熟卵細胞中的2個印記控制區段,成功獲得孤雌小鼠的實驗。并且研究人員還發現在孤雌小鼠中,雖然由此而培育的幼鼠能夠繁殖后代,但是它們總體上比野生小鼠小,這很有可能與Rasgrf1表達顯著異常有關。

圖1:印跡區缺失的孤雌單倍體干細胞注射小鼠卵母細胞

研究人員用CRISPR-Cas9技術在孤雌單倍體干細胞中同時刪除了包含Rasgrf1在內的三個印記區段,將其與另一只雌性老鼠的卵子結合,培育出新的胚胎(攜帶兩個母親的遺傳物質),并從210 個胚胎中培育出了29只健康幼鼠,其中7只后來有了自己的幼仔,這是人們首次獲得了在發育、行為、代謝和生育力上均與正常小鼠無異的孤雌小鼠(圖2)。

圖2 ?3KO的小鼠比2KO的小鼠更加接近野生型小鼠

 

獨出心裁,“兩個爸爸”也能生孩子

雌性之間的同性生殖已經被科學家攻克,那么雄性之間的同性生殖能否進行呢?為了找尋答案,研究人員利用了類似的方法,在孤雄單倍體干細胞中,篩選并最終刪除了7個重要的印記控制區段,然后將該干細胞的遺傳物質與來源于另一只雄性小鼠的精子一起注入新鮮的去核卵細胞中,形成孤雄胚胎干細胞,最終獲得了只有兩個“爸爸”的孤雄小鼠。這些孤雄小鼠外觀正常,可以自主呼吸,但是都在出生后48小時內死亡。這是首次獲得具有兩個父系基因組的孤雄小鼠,證實了即便在最高等的哺乳動物中,孤雄生殖也有可能實現(圖3)。

圖3 孤雄小鼠的獲得

?

總結與思考

這項研究展示了“在同性哺乳動物之間繁衍后代的一種全新的方式”。同時也證實了,更完善的印記修飾能夠完全跨越孤雌生殖障礙,獲得健康發育的孤雌動物。得到孤雄小鼠需要更多的印記修飾,與孤雌小鼠相比,孤雄生殖可能具有著更多的障礙。這些發現對理解基因組印記的進化、調控和功能具有重要意義。

 

參考文獻

Li?et al. Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from?Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions.Cell Stem Cell, 2018.

 

想了解最新、最標準的Illumina NovaSeq、PacBio Sequel、Bionano Saphyr/Irys和10x Genomics技術,請咨詢貝瑞基因當地銷售,或致電010-84409702/電子郵件[email protected],我們將為您提供全面有效的基因組學解決方案!