Nature正式發(fā)表：干細(xì)胞技術(shù)創(chuàng)造出來(lái)自?xún)蓚€(gè)父親的小鼠，還能正常生育
撰文丨王聰
編輯丨王多魚(yú)
排版丨水成文
2023年3月8日，日本大阪大學(xué)林克彥（Katsuhiko Hayashi）教授在第三屆人類(lèi)基因組編輯國(guó)際峰會(huì)上宣布，他們使用雄性小鼠的細(xì)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(nèi)，能夠發(fā)育出健康、可育的后代。
一周后的3月15日，Nature正式發(fā)表了這項(xiàng)重磅研究成果 【1】 ，論文題為： Generation of functional oocytes from male mice in vitro 。
雖然這項(xiàng)研究距離應(yīng)用于人類(lèi)還有很長(zhǎng)的路要走，但它提供了早期概念驗(yàn)證，為治療某些原因的不孕不育帶來(lái)了新的可能性，甚至允許產(chǎn)生單親胚胎，這是一個(gè)具有巨大潛在應(yīng)用價(jià)值的重大進(jìn)步。
林克彥教授
對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，只能進(jìn)行有性生殖，需要雄性的精子和雌性的卵子結(jié)合，才能產(chǎn)生后代，而后代具有來(lái)自父母雙親的遺傳物質(zhì)。然而，有些基因只有來(lái)自父親的等位基因表達(dá)，有些則只有來(lái)自母親的等位基因表達(dá)，也就是所謂的基因組印記，這種基因組印記是通過(guò)表觀遺傳學(xué)的甲基化實(shí)現(xiàn)的，基因組印記的存在，阻礙了孤雌生殖或孤雄生殖的實(shí)現(xiàn)。
一直以來(lái)，科學(xué)家們都在努力實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物孤雄生殖或孤雌生殖的壯舉。
早在2018年，中科院動(dòng)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(fā)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(jié)合單倍體干細(xì)胞技術(shù)和基因編輯技術(shù)，使用有精子或卵子制成的胚胎干細(xì)胞培育出了具有兩個(gè)父親或兩個(gè)母親的小鼠。其中有兩個(gè)母親的小鼠能夠存活到成年，并具有生育能力，而有兩個(gè)父親的小鼠只能存活幾小時(shí)到2天時(shí)間。這也說(shuō)明了孤雄生殖比孤雌生殖更難實(shí)現(xiàn)。
2020年12月，林克彥（Katsuhiko Hayashi）等人在Nature期刊發(fā)表了題為：Reconstitution of the oocyte transcriptional network with transcription factors 的研究論文【3】。
這項(xiàng)研究表明，一組8種轉(zhuǎn)錄因子可以在實(shí)驗(yàn)室中將小鼠的多能干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為卵母細(xì)胞樣細(xì)胞。這項(xiàng)研究讓人造卵細(xì)胞成為現(xiàn)實(shí)。
2021年7月，林克彥（Katsuhiko Hayashi）等人在Science期刊發(fā)表了題為：Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells 的研究論文【4】。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)誘導(dǎo)雌性小鼠的胚胎干細(xì)胞逐步分化，最終產(chǎn)生了大量與卵巢體細(xì)胞類(lèi)似的胚胎卵巢體細(xì)胞樣細(xì)胞（FOSLCs）。這些FOSLCs與來(lái)自小鼠胚胎干細(xì)胞的卵母細(xì)胞放在一起共同培養(yǎng)時(shí)，F(xiàn)OSLCs產(chǎn)生了卵巢卵泡結(jié)構(gòu)，而小鼠胚胎干細(xì)胞的卵母細(xì)胞在該結(jié)構(gòu)中發(fā)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(nèi)，小鼠繁殖出了健康的后代。
有了上述這些研究基礎(chǔ)，林克彥等人開(kāi)始了使用成年雄性小鼠的細(xì)胞來(lái)制造卵子的項(xiàng)目。他們對(duì)這些細(xì)胞進(jìn)行了重編程，以創(chuàng)造出誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室培養(yǎng)這些細(xì)胞，直到其中一些細(xì)胞自發(fā)地失去了Y染色體。
然后，研究團(tuán)隊(duì)使用逆轉(zhuǎn)素（Reversine）來(lái)處理細(xì)胞，這種化合物可以在細(xì)胞分裂過(guò)程中促進(jìn)染色體錯(cuò)誤分配。他們從中找到了出現(xiàn)兩條X染色體的細(xì)胞。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)為iPSC提供了形成未成熟卵子所需的遺傳信號(hào)。然后，他們使用小鼠的精子來(lái)進(jìn)行受精，并將產(chǎn)生的胚胎移植到雌性小鼠子宮中。
研究團(tuán)隊(duì)表示，這些胚胎的存活率很低，移植的630個(gè)胚胎中，只有7個(gè)發(fā)育成幼崽（1.11%），但這些幼崽生長(zhǎng)正常，成年后具有生育能力。
該研究的領(lǐng)導(dǎo)者林克彥表示，這項(xiàng)技術(shù)距離醫(yī)療應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，因?yàn)樾∈笈c人類(lèi)之間有很多差異，這項(xiàng)差異常常讓生殖和干細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)現(xiàn)從小鼠轉(zhuǎn)化到臨床的努力復(fù)雜化。目前，研究團(tuán)隊(duì)在仔細(xì)描述實(shí)驗(yàn)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(duì)于這項(xiàng)研究成果，日本京都大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Mitinori Saitou表示，在人類(lèi)細(xì)胞上進(jìn)行同樣的技術(shù)，可能需要在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)卵細(xì)胞的時(shí)間更長(zhǎng)，而培養(yǎng)周期變長(zhǎng)，那么遺傳突變和表觀遺傳異常都會(huì)累積。因此，培養(yǎng)時(shí)間越短越好。
此外，基因組上的表觀遺傳標(biāo)記對(duì)后代發(fā)育的影響超過(guò)對(duì)胚胎階段的影響，因此，這項(xiàng)研究還需要進(jìn)一步探索這些雄性小鼠細(xì)胞來(lái)源的卵子的表觀遺傳修飾及其長(zhǎng)期影響。更重要的是，這項(xiàng)技術(shù)構(gòu)建的胚胎的存活率還是太低了，還需要進(jìn)一步提高成功率。
如果這些障礙被克服，林克彥等人開(kāi)發(fā)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(xiàng)研究成果還可能將人類(lèi)生殖帶入新的領(lǐng)域。如果應(yīng)用于人類(lèi)，可能會(huì)幫助男性配偶擁有親生孩子，在未來(lái)，也可能幫助單身男性擁有親生孩子。
最后，林克彥表示，這項(xiàng)技術(shù)不僅需要對(duì)生物學(xué)方法進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，還需要進(jìn)一步討論倫理影響，自己也不知道這種技術(shù)是否真的能適應(yīng)人類(lèi)社會(huì)。
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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