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我們所在的這顆藍色星球上，每個角落里似乎都有生命的存在。無論在進化樹上處于哪個位置，維持種族的繁衍是所有生命體都要必須面對的頭等大事。

最簡單的生命體——病毒，需要借助宿主細胞進行擴增和繁殖；細菌和部分植物采用孢子繁殖，這是一種簡單的無性生殖；蜜蜂和螞蟻則采用孤雌繁殖，僅靠種群中的雌性就能繁育后代；而處于進化樹頂端的哺乳動物則采用有性生殖，這種精子和卵子結(jié)合的生殖方式既能夠保證群體基因組的穩(wěn)定，又能通過基因重組推動物種的進化。

數(shù)以百萬年來，精子和卵子的結(jié)合被認為是高等動物新生命誕生的必經(jīng)之路，同樣維系著人類種族的繁衍。然而，來自中國科學(xué)院的科學(xué)家們正在探索生命形成的本質(zhì)，人們心中固有的經(jīng)典生殖規(guī)律可能會被打破。

中科院動物研究所指出，與孤雌生殖對應(yīng)的孤雄生殖極其罕見，迄今只在一種斑馬魚中發(fā)現(xiàn)孤雄生殖。然而對于高等哺乳動物，無論孤雌生殖或孤雄生殖都不存在。科學(xué)家們?nèi)斯?gòu)建出的孤雌或孤雄胚胎均在發(fā)育早期死亡。在爬行類和兩棲類不存在、而在哺乳類進化出來的印記基因被認為是阻礙哺乳動物同性生殖的重要因素。

東京農(nóng)業(yè)大學(xué)Kono實驗室曾在未成熟卵中刪除了2個印記控制區(qū)段，成功得到了活的孤雌小鼠，首次實現(xiàn)了哺乳動物的孤雌生殖，引起廣泛關(guān)注。

中國科學(xué)院動物研究所胡寶洋研究員、周琪研究員和李偉研究員團隊合作，通過對單倍體胚胎干細胞進行印記基因修飾并利用該細胞進行復(fù)雜胚胎操作的形式，得到了世界上首只雙父親來源的小鼠，以及性狀正常的雙母親小鼠。相關(guān)工作于10月11日以長文的形式在國際學(xué)術(shù)期刊《細胞干細胞》（Cell stem cell）上發(fā)表。

雙父親來源的小鼠  圖自phys.org網(wǎng)站

人造精子

科學(xué)家們首先創(chuàng)造了“人造精子”：在實驗室中，一顆小鼠的精子被注射到去除細胞核的卵子中，精子經(jīng)歷了卵子的重編程后華麗地變身為一種新型的干細胞—“孤雄單倍體干細胞”。研究發(fā)現(xiàn)，孤雄單倍體干細胞既保持了胚胎干細胞的多能性和分化潛能，又同精子一樣僅具有1套染色體。更為神奇的是，科學(xué)家們利用孤雄單倍體干細胞成功地替代精子完成了卵母細胞受精的使命，繁育獲得了后代。

孤雄單倍體胚胎干細胞替代精子獲得后代

性別逆轉(zhuǎn)

那么，單倍體干細胞能否“性別逆轉(zhuǎn)”，實現(xiàn)孤雄單倍體干細胞和孤雌單倍體干細胞之間的轉(zhuǎn)換呢？然而要真正實現(xiàn)性別的“逆轉(zhuǎn)”可不容易。哺乳動物在進化過程中，為了區(qū)分精子和卵子，在各自的基因位置上進化出類似于“鎖”一樣的印記基因，而要想性別的“逆轉(zhuǎn)”，就要在印記基因上下功夫。科學(xué)家們利用“基因編輯”技術(shù)改變了小鼠孤雌單倍體干細胞中兩個被稱為H19和IG的重要印記基因區(qū)域，這使得它們在基因形態(tài)上具有了精子的特征。

孤雌單倍體胚胎干細胞替代精子獲得雙母親基因組來源孤雌小鼠

孤雌生殖

經(jīng)過了一系列“瞞天過?！钡母脑欤瑏碜源剖驛的卵母細胞先被激活、之后完成了性別逆轉(zhuǎn)，并被再次注射進來自雌鼠B的卵母細胞中。“她們”最終突破了性別的束縛，獲得了愛的結(jié)晶，成功地發(fā)育成為由兩個雌性小鼠作為親本的后代，這就如同西游記中神奇的“女兒國之水”，不需要“御弟哥哥”，哺乳動物的孤雌生殖已經(jīng)在實驗室中成為了現(xiàn)實！

孤雌單倍體干細胞經(jīng)過基因編輯后注入卵母細胞中，能夠發(fā)育成個體

雙母親來源的小鼠  圖自phys.org網(wǎng)站

然而更多人的關(guān)注點在于這種來源的個體是否健康。正如公眾關(guān)心的一樣，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)這種獲得個體除了意外獲得了長壽特性外，存在生長速度緩慢，焦慮難安的精神問題。為了獲得健康的雙母親來源的個體，科學(xué)家又找到了一個新的精子來源的大鎖——Rasgrf1，這把大鎖一加，獲得的孤雌個體就和正常個體無異。

3KO的小鼠比2KO的小鼠更加接近野生型小鼠

雙母親來源的小鼠  圖自phys.org網(wǎng)站

孤雄生殖

既然雌性之間的同性生殖已經(jīng)被科學(xué)家攻克，那么雄性之間的同性生殖也不會遠了。這一次，科學(xué)家試圖尋找限制雄性單倍體干細胞的“枷鎖”。通過精確修飾孤雄單倍體干細胞上6個印記基因（Nespas，Grb10，Igf2r，Snrpn，Kcnq1，Peg3），并將其與另外一枚精子同時注射到小鼠去核卵中，經(jīng)歷多輪改造后，兩枚精子來源的胚胎也成功獲得了后代。然而，這種個體存在很多健康問題并不能存活?？茖W(xué)家將另外一個重要印記基因（Gnas）進行了精確修飾后，終于獲得了更為正常、健康的雙父親小鼠，并實現(xiàn)了短期的存活。

通過精確修飾孤雄單倍體干細胞上6個印記基因，并將其與另外一枚精子同時注射到小鼠去核卵中，培養(yǎng)成胚胎干細胞，通過四倍體補償?shù)姆绞娇梢缘玫胶蟠?KO的小鼠相比與6KO的小鼠更接近正常小鼠，可以短期存活。

中科院動物研究所指出，該項研究利用單倍體胚胎干細胞技術(shù)作為平臺，系統(tǒng)證明了哺乳動物中跨越同性生殖障礙需要經(jīng)歷的三步：1、單倍體干細胞展現(xiàn)出類似原始生殖細胞的“無印記”模式；2、在單倍體干細胞中對特定印記區(qū)段進行修飾，建立新的印記模式；3、結(jié)合卵母細胞注射或四倍體囊胚補償技術(shù)獲得孤雌或孤雄動物。

該研究也證實了，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(fā)育的孤雌動物。得到孤雄小鼠需要更多的印記修飾，而所有的孤雄小鼠均無法存活至成年，意味著相比孤雌生殖，孤雄生殖有著更多的障礙。這些發(fā)現(xiàn)對理解基因組印記的進化、調(diào)控和功能具有重要意義，對于開發(fā)新的動物生殖手段也有重要價值。

如今，哺乳動物同性生殖已在實驗室中獲得了成功。然而，科學(xué)仍在不斷發(fā)展，終有一天，我們將解開關(guān)于生命和人類自身的奧秘。