Nature正式發表：干細胞技術創造出來自兩個父親的小鼠，還能正常生育
撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
2023年3月8日，日本大阪大學林克彥（Katsuhiko Hayashi）教授在第三屆人類基因組編輯國際峰會上宣布，他們使用雄性小鼠的細胞培育出了卵子，并且這些卵子可以與雄性精子受精，將其植入雌性小鼠體內，能夠發育出健康、可育的后代。
一周后的3月15日，Nature正式發表了這項重磅研究成果 【1】 ，論文題為： Generation of functional oocytes from male mice in vitro 。
雖然這項研究距離應用于人類還有很長的路要走，但它提供了早期概念驗證，為治療某些原因的不孕不育帶來了新的可能性，甚至允許產生單親胚胎，這是一個具有巨大潛在應用價值的重大進步。
林克彥教授
對于哺乳動物來說，只能進行有性生殖，需要雄性的精子和雌性的卵子結合，才能產生后代，而后代具有來自父母雙親的遺傳物質。然而，有些基因只有來自父親的等位基因表達，有些則只有來自母親的等位基因表達，也就是所謂的基因組印記，這種基因組印記是通過表觀遺傳學的甲基化實現的，基因組印記的存在，阻礙了孤雌生殖或孤雄生殖的實現。
一直以來，科學家們都在努力實現哺乳動物孤雄生殖或孤雌生殖的壯舉。
早在2018年，中科院動物研究所胡寶洋研究員、周琪院士、李偉研究員合作，在Cell Stem Cell期刊上發表了題為：Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region 的研究論文【2】。
該研究結合單倍體干細胞技術和基因編輯技術，使用有精子或卵子制成的胚胎干細胞培育出了具有兩個父親或兩個母親的小鼠。其中有兩個母親的小鼠能夠存活到成年，并具有生育能力，而有兩個父親的小鼠只能存活幾小時到2天時間。這也說明了孤雄生殖比孤雌生殖更難實現。
2020年12月，林克彥（Katsuhiko Hayashi）等人在Nature期刊發表了題為：Reconstitution of the oocyte transcriptional network with transcription factors 的研究論文【3】。
這項研究表明，一組8種轉錄因子可以在實驗室中將小鼠的多能干細胞轉化為卵母細胞樣細胞。這項研究讓人造卵細胞成為現實。
2021年7月，林克彥（Katsuhiko Hayashi）等人在Science期刊發表了題為：Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells 的研究論文【4】。
研究團隊通過誘導雌性小鼠的胚胎干細胞逐步分化，最終產生了大量與卵巢體細胞類似的胚胎卵巢體細胞樣細胞（FOSLCs）。這些FOSLCs與來自小鼠胚胎干細胞的卵母細胞放在一起共同培養時，FOSLCs產生了卵巢卵泡結構，而小鼠胚胎干細胞的卵母細胞在該結構中發育成了有活力的卵子。這些體外生成的卵子可以完成受精，將受精后的卵子移植到雌性小鼠子宮內，小鼠繁殖出了健康的后代。
有了上述這些研究基礎，林克彥等人開始了使用成年雄性小鼠的細胞來制造卵子的項目。他們對這些細胞進行了重編程，以創造出誘導多能干細胞（iPSC）。他們在實驗室培養這些細胞，直到其中一些細胞自發地失去了Y染色體。
然后，研究團隊使用逆轉素（Reversine）來處理細胞，這種化合物可以在細胞分裂過程中促進染色體錯誤分配。他們從中找到了出現兩條X染色體的細胞。
在此基礎上，研究團隊為iPSC提供了形成未成熟卵子所需的遺傳信號。然后，他們使用小鼠的精子來進行受精，并將產生的胚胎移植到雌性小鼠子宮中。
研究團隊表示，這些胚胎的存活率很低，移植的630個胚胎中，只有7個發育成幼崽（1.11%），但這些幼崽生長正常，成年后具有生育能力。
該研究的領導者林克彥表示，這項技術距離醫療應用還有很長的路要走，因為小鼠與人類之間有很多差異，這項差異常常讓生殖和干細胞生物學的發現從小鼠轉化到臨床的努力復雜化。目前，研究團隊在仔細描述實驗中的小鼠幼崽的特征，以尋找它們與正常生育的幼崽的不同之處。
對于這項研究成果，日本京都大學發育生物學家Mitinori Saitou表示，在人類細胞上進行同樣的技術，可能需要在實驗室中培養卵細胞的時間更長，而培養周期變長，那么遺傳突變和表觀遺傳異常都會累積。因此，培養時間越短越好。
此外，基因組上的表觀遺傳標記對后代發育的影響超過對胚胎階段的影響，因此，這項研究還需要進一步探索這些雄性小鼠細胞來源的卵子的表觀遺傳修飾及其長期影響。更重要的是，這項技術構建的胚胎的存活率還是太低了，還需要進一步提高成功率。
如果這些障礙被克服，林克彥等人開發的這一染色體工程方法有望為一些由性染色體異常引起的不孕不育提供治療，例如特納氏綜合征（患者缺少一條X染色體或部分X染色體）。這項研究成果還可能將人類生殖帶入新的領域。如果應用于人類，可能會幫助男性配偶擁有親生孩子，在未來，也可能幫助單身男性擁有親生孩子。
最后，林克彥表示，這項技術不僅需要對生物學方法進行技術上的改進，還需要進一步討論倫理影響，自己也不知道這種技術是否真的能適應人類社會。
1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05834-x
2. https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.09.004
3. https://www.nature.com/articles/s41586-020-3027-9
4. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe0237
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