同性生鼠!人类离同性生殖还远吗?

来源:科普中国发布时间:2018-11-27

人类的同性生殖还远吗? 

  如果问你老鼠是如何生出小宝宝的?你肯定会说这还不简单,肯定和赵忠祥老师解说的《动物世界》一样: 

  “春天来了,万物复苏, 

  大草原又到了动物们交配的季节。 

  雨季又过了,又到了交配的季节, 

  公老鼠趴在了母老鼠的身上, 

  发出了酣畅的声音!!!” 

(图源:pixabay 

  但最近的一篇发表在《细胞干细胞》(Cell stem cell)的论文可能要打脸了。 

  来自中科院的研究人员利用干细胞和基因编辑手段,分别获得了仅由雌性及雄性亲本生育的小鼠。 

(图源:Leyun Wang 

  虽然同性雄鼠的宝宝只存活了约48小时,但同性雌鼠生出的宝宝是完全健康的,不仅活到了成年期,后来还和另一只雄鼠交配生出了鼠宝宝。 

  精卵结合生殖方式具有的优势 

  诚然,单性生殖(又称孤雌繁殖,它们生产的卵子不经过受精过程,也可以单独发育成后代)在大自然并不是一件稀罕事,比如之前传出的在欧洲可以自我复制的小龙虾就是如此。单性生殖一般发生在植物、无脊椎动物以及少部分脊椎动物身上。 

  但对于哺乳动物来说,繁殖有着一套亘古不变的法则,必须是雌性的卵子和雄性的精子结合,没有任何一种哺乳动物可以依靠单一性别进行生存繁衍,哪怕是奇葩的卵生鸭嘴兽也是如此。 

  从遗传学上来说,是“基因组印记”存在的缘故。20世纪80年代的实验表明,人类雄性和雌性的染色体是不对称的(XYXX),这意味着你不能只使用两组雌性或雄性的DNA来产生新的个体。 

你的祖传染色体 (图源:Wikipedia 

  不管来自父亲还是母亲那边的染色体,都包含有你正常生长的所有遗传信息,但是不同的基因会根据父母的性别而被限制表达,产生一种叫做“基因组印记”的东西。 

基因组印记 (图源:Learn Genetics @ Utah - University of Utah 

  简单来说,来自母亲和父亲的染色体的DNA中都各自有不同的少数地方不能制造蛋白质。而这时,如果母亲提供的染色体无法制造出所需的蛋白质,便可依赖父亲所提供的染色体制造,反之亦然。所以,当染色体都是来自父亲或母亲的话,便会缺少某些蛋白质,而其中一些所缺失的蛋白质,正是胚胎发育所需要的。这种基因组印记的现象存在于所有哺乳类动物身上。 

  从进化的角度来看,精子与卵子结合的生殖方式比起孤雌生殖有着显著的优势。一般认为单性生殖的这些生物已经进入了进化的尽头,因为它们也算某种程度上的“克隆体”,缺乏基因多样性可能最终难以演变成新物种而灭绝。而精子与卵子结合的这种有性生殖方式能产生更多的基因组合,增加适应性演化的几率,防止有害突变的积累。 

  换句话说,有性生殖产生的多样化的基因组合后代,总会有一些后代能适应环境变化而生存下来。 

(图源:pixabay 

  但要说明的是,科学家研究的虽然和前面说的孤雌生殖有着类似的地方,都是单一性别生殖,但孤雌生殖是同一个体生出来的,只有一个妈妈,而同性生殖是两个不同的同性个体生出来的,也就是有两个妈妈或者两个爸爸。 

  所以,科学家现在做的研究并不是孤雌生殖的那种“克隆”,同性生殖生出的鼠宝宝依旧具备了有性生殖的杂种优势。 

  历史上关于同性生殖的研究 

  其实历史上早有人在哺乳动物的同性生殖上做研究了,在这里只列举其中一小部分。 

  1960年,生物学家海伦·克鲁斯(Helen Crouse)发明了“基因组印记”这一专业术语,这种基因印记是等位基因依赖双亲性别表达,不符合孟德尔遗传定律的特殊遗传现象。在那时,她就意识到印记是实现同性生殖的主要挑战。 

Helen Crouse (1914–2006) (图源:Genetics 

  1997年,日本生物学家Takahiro Tagami及其同事通过将雌性原始生殖细胞移植到鸡睾丸中,让这只鸡生产出了“雌性精子”,这并不是纯粹的用卵细胞变成的精子,在生理功能上也并不完整。 

  20035月,宾夕法尼亚大学的Hans Scholer及其同事报告了通过小鼠胚胎干细胞培育出了较成熟的卵样细胞,具有减数分裂的能力。但这些细胞最终并没有成为完全体,因此也无法测试它们被精子受精的能力。 

  2004年,日本生物学家Tomohiro Kono及其同事实现了同母生殖老鼠。科学家通过修饰未成熟卵细胞的基因,将修饰后更“man”的卵细胞与另一个卵细胞相结合,实验最后得到457个受精卵中,其中只有两个产生正常的雌性小鼠,其中一只名字叫“辉夜姬”。 

辉月姬(图源:© T. Kono from nature 

  这项研究的重要性不在于其临床实用性,而在于它证明了表观遗传工程是可以改变传统的生殖方式。 

  人类的同性生殖还远吗? 

  其后就是前面介绍的中科院动物所的团队用更高效的办法,通过消除单倍体胚胎干细胞中的基因组印记的办法,实现了同父同母小鼠的生殖。不过,中科院的这项研究更多的专注于基因功能的研究,并不只是“同性生殖”。 

  关于同性生殖,甚至人类同性生殖这方面,不去谈伦理上的限制,科学家也做了相当长时间的研究。而且科学家在体外配子这一块研究领域,其主要的研究方法不是依靠精子或者卵细胞的性别逆转再进行结合,而是直接通过转化人类体细胞成为生殖细胞,这种方式显然比性别逆转更高效。 

  说起这,必须得提及诺奖获得者山中伸弥。 

山中伸弥(图源:Wikipedia 

  2006年,他找到了一种转化人类体细胞的方法,就连容易采集的上皮细胞和血细胞都能被转化为诱导性多功能干细胞(iPS)。这些干细胞在重新编程后,可转变为人体内的任何细胞,当然也包括生殖细胞。在此之前,科学家使用的干细胞仅能从冷冻人类胚胎中采集,不仅相对材料受限,伦理上也备受争议。也正是这项技术的诞生,才让同性生殖的可能性大大提高。 

  想象一下,稍微从你的皮肤上弄出一丁点细胞就可以用来培育生殖细胞,甚至用来生崽,那可将是生物医学领域的重大飞跃。 

  在2012年日本京都大学干细胞生物学教授斋藤通纪的团队培植出精卵的原始生殖细胞(PGCs),当时他就是透过诱导多能干细胞(iPS)的技术将皮肤细胞改造而来。诱导多能干细胞再诱导分化成可产生卵子或精子的原生殖细胞,再混合卵巢细胞去重建卵巢,之后再移植到母鼠体内,4周后取出卵巢所产生的卵子,进行人工授精。 

  虽然在老鼠身上的试验已经成功了,但要在人类身上实现这个目标,并不是简单的套用而已。已经有科学家在致力于将人类诱导性多功能干细胞转化为精子和卵子。剑桥大学的Azim Surani和以色列魏茨曼科学研究院的雅各布·汉纳Jacob Hanna,已经用人类胚胎干细胞和诱导性多功能干细胞转化为能够形成精子或卵子的前体细胞。不过要成为成熟的精子和卵子还有一段距离。 

雅各布·汉纳博士在他的研究所实验室(图源:Courtesy 

  上帝从亚当身上取出一根肋骨便成了夏娃,而在不久的将来也许你的一点皮肤就有可能成为你的下一代。 

    

  (本文中标明来源的图片均已获得授权) 

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