雙親同為母鼠的小鼠及其後代(圖:Leyun Wang)

日前,中國科學院成功突破哺乳動物同性生殖障礙,使兩隻雌性小鼠產出健康的下一代;而兩隻雄性小鼠雖也能產下後代,但僅存活了數天。這項研究深入探討促使同性哺乳動物產出後代中的基因障礙,並提出使用幹細胞及基因剪輯技術(gene editing)作為解決方法。

基因印記

中國科學院動物研究所所長周琪博士表示:「我們對於哺乳動物只能進行異性生殖的問題感興趣,過去我們結合了生殖和再生技術進行一些研究,使用有基因缺陷的單倍體胚胎幹細胞(haploid embryonic stem cells),試圖產生兩個雌性親代的正常小鼠,甚至是兩個雄性親代的正常小鼠。」

雖然一些爬行動物、兩棲動物和魚類,都具有單性生殖(Parthenogenesis)的現象,可用同性雙親繁殖後代。但即使在生殖技術的幫助之下,哺乳動物也很難進行同性生殖。哺乳動物的印記基因被認為是阻礙其同性生殖的最大因素。

哺乳動物在胚胎成長階段,會啟動一種稱為基因印記(genomic imprinting)的機制,限制母系或父系的基因表現。缺乏特定一方的印記基因,其表現受到抑制,促使後代必須經由父母雙方基因結合,才能正常發育,否則胚胎在成長階段將會發生畸形而無法成長成正常的個體。

在過去的研究,雖有研究人員透過基因剪輯技術刪除了小鼠卵子的印記基因,而成功培育出同性雙親的後代,但周博士表示:「培育出的小鼠仍顯示有發展缺陷,且此方法不易使用。」

單倍體胚胎幹細胞

因為單倍體胚胎幹細胞僅有一套染色體,但擁有類似正常幹細胞分裂和分化能力的細胞群,使其具有較少的印記基因可影響胚胎發展的過程。因此,研究人員利用基因剪輯技術,刪除雌性小鼠單倍體胚胎幹細胞中的三個關鍵印記基因區域後,植入另一隻雌性小鼠的卵子中形成胚胎。在 210 個形成的胚胎中,有 29 個胚胎不僅成功長成個體,也存活到成年並產下自己的後代。

研究人員也將類似的方法應用於雄性小鼠,但在雄性的單倍體胚胎幹細胞中,刪除了七個重要的印記基因區域後,將其植入一個已先置入雄性精子細胞核的卵子中,因此形成的胚胎具有兩組來自兩隻雄性小鼠的基因,再將胚胎植入代孕母鼠身上。但胎兒發展不如雌性小鼠順利,這些後代雖外觀正常,但在出生後 48 小時便死亡。

未來發展

研究人員李偉博士(Wei Li)表示,這種同性生殖技術應用至其他哺乳類仍有需多問題需要克服,包括如何辨別出不同物種其獨特的印記基因。李博士也對此技術的成功發展表示:「在此研究中我們找到了幾個在同性生殖的胚胎發展上關鍵的印記基因區,這對於在基因印記機制及生物複製技術的研究上相當重要。」

 

參考資料:

  1. Li, Z., Wang, L., Wang, L., Feng, G., Yuan, X., Liu, C., . . . Hu, B. (2018). Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions. Cell Stem Cell. doi:10.1016/j.stem.2018.09.004
  2. C. (n.d.). Mouse pups with same-sex parents born in China using stem cells and gene editing. Eurekalert 
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