敲除印记基因，单独的雌性也能繁殖

文/陈根

众所周知，哺乳动物是有性生殖的动物，需要经过交配，精子和卵子进行结合才可以生衍繁殖，当然，自然界中还存在除了有性生殖以外的生殖方式，比如孤雌生殖，即卵在不经过受精的情况下也能发育为正常的个体，也就是不需要雄性个体参与，单独的雌性就可以实现繁殖。

事实上，孤雌生殖在自然界中并不算少见，甚至在脊椎动物中也有许多，蜥蜴、青蛙和鱼类都可进行孤雌生殖，现在，基于基因编辑，来自上海交通大学医学院附属济仁医院等单位在小鼠身上也实现了孤雌生殖。研究人员用单个卵细胞创造出了健康的小鼠。生下来的小鼠不仅活到了成年，还有了自己的后代。

具体来看，实验的关键来自于小鼠体内的印记基因。要知道，高等动物，进行有性生殖的一个重要原因，就是保证基因多样性，因此，哺乳动物还专门进化出可以区分精子和卵细胞的基因组，叫做印记基因（genomic imprinting）。这些基因会在正常受精过程中让受精卵的某些等位基因一个表达而另一个沉默。

有些基因只有来自父亲的等位基因表达，有些则只有来自母亲的等位基因表达，也就是所谓的基因组印记，这种基因组印记是通过表观遗传学的甲基化实现的，基因组印记的存在，阻碍了孤雌生殖的实现。从进化的角度讲，印记基因是精子和卵子的基因互相博弈的结果，以求达到一种微妙的平衡。

因此，想要实现仅需单个卵细胞就创造出健康小鼠的一个最直白的方法，就是敲除小鼠的印记基因。具体原理，就是利用甲基化酶和去甲基化酶，来让DNA中的某些基因表达，另一些基因沉默。究其原因，基因的甲基化能影响转录过程，使得基因沉默。如果能完成这些基因的甲基化或去甲基化，就能让卵细胞模拟出接受精子后的正常受精状态。

为此，研究团队最终在未减数分裂的卵母细胞中确定了7个需要被表达或沉默的基因，其中2个是父系印记基因，5个是母系印记基因。其中，2个父系基因组印记H19和Gtl2在表达时，会出现抑制代谢活动、不生成蛋白质，从而让胚胎无法正常发育。

因此，研究团队使用CRISPR-dCas9通过Dnmt3a甲基化酶，将这两个基因的控制区域进行了甲基化。而5个母系基因组印记控制区域Igf2r、Snrpn、Kcnq1ot1、Nespas和Peg10如果不表达，则会出现胚胎致死、或是严重影响其发育。因此，研究人员又使用CRISPR-dCpf1通过Tet1去甲基化酶，实现了这5个基因控制区域的去甲基化。

在实验中，研究人员构建出了389个孤雌胚胎。经过人工激活，其中227个为可培育的重构卵母细胞。在体外培养后，有192个卵母细胞是可以正常发育到囊胚期，即胚泡。然后再将这些胚泡转移到了14只雌性小鼠体内。

最终，共产下了3只幼崽，其中2只体重过低，并表现出生长迟缓的迹象，在出生后24小时内死亡。剩下1只幼崽体重正常，成功长到了成年期，还能正常繁殖后代，并且其体内的原发性印记障碍也不会遗传给下一代。

研究团队认为，这项研究结果表明，可以通过对多个关键基因组印记控制区域的表观遗传重写来实动物的孤雌生殖。虽然这类研究着眼于单性生殖，但这也验证了基因编辑的巨大潜力，也为农业、科研和医学研究开辟了新的道路。