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兩個爸爸沒有媽媽!世上第一隻孤雄生殖小鼠誕生

你知道嗎?最近有同性生殖的小鼠在科學家的手中誕生了。

學界其實一直探尋著:究竟同性的哺乳類能不能生殖、產下後代? 2018 年中國科學院的科學家在國際期刊《Cell Stem Cell》上發表了一個腦洞大開的研究,成功讓實驗鼠完成同性生殖[1]

同性生殖很奇怪?自然界裡其實很常見

有沒有可能不需要和異性一起產生後代?圖/By FotoshopTofs @Pixabay

事實上,同性生殖在其他物種並非罕見的現象,很多爬蟲類、鳥類、鯊魚以及一些昆蟲和植物都有同性生殖的現象。

這些同性生殖的後代通常來自雌體的細胞,因此有另一個大家較為熟悉的名詞:「孤雌生殖」,也就是子代的兩套染色體都來自母親。然而孤雌生殖並不存在於哺乳類中;與之相對的「孤雄生殖」更是聞所未聞,僅在一種斑馬魚上發現過而已[2]

唯一發現的孤雄生殖斑馬魚。
圖/Production of androgenetic zebrafish

幾乎所有動物都有孤雌生殖的能力,唯有哺乳類在演化的過程中淘汰了這項能力,這背後藏有什麼樣的秘密?科學家能藉由實驗和推理越過這道演化上的鴻溝嗎?

2004 年,日本科學家 Kono 曾經在未成熟的卵中消除兩個「基因印記」,而後結合另一個卵;這個由兩個卵所組合而成的胚胎意外地培育成功,使得科學家成功得到了孤雌小鼠[3]。這是人類第一次創造出孤雌生殖的哺乳類,只不過這些小鼠在出生不久之後就死亡。

基因的識別戳章:基因印記

什麼是基因印記呢?學過基礎生物的你,一定知道孟德爾的豌豆以及等位基因理論:孩子各從父母得到一半的基因,如果兩個基因都是隱性會表現出隱性的樣子;反之,只要父母有一方是顯性,孩子的表徵也會是顯性。

假如父母各有一個顯性和一個隱性的基因,根據孟德爾的等位基因理論,即使父母的表現出來都是顯性的,子代有四分之一的機率會表現出隱性的性狀,並不是隔壁老王的錯
圖/Biology Dictionary

然而並不是所有的基因都符合等位基因的理論;有些基因只需要來自父親,有些則只需要來自母親,因此細胞會將不需要的那一方以「甲基化」的方式讓基因不表現,這個甲基化的現象就稱為基因印記 (Genomic imprinting)。

簡單來說,基因印記就像個戳章,如果來自爸爸的基因蓋上這個戳章,細胞就知道爸爸這邊的基因不必表現;相對的,孩子由母親得到的基因就必須是正常的,子代才會正常。反之亦然,如果卵子上的基因有印記,精子的基因就必須是正常的,否則孩子的基因會有缺陷。

知道基因印記背後的原理之後,就不難理解為何 Kono 的團隊要先消除基因印記;因為來自同樣母親的基因會有相同的印記,如果不將此印記剔除的話,要創造出來的孤雌小鼠基因就會有缺陷。換句話說,剔除基因印記後,可以讓卵細胞的基因表現看起來「比較不那麼雌性」。

刪兩個還不夠,三個才能成功

理論很美好,現實很殘酷,在一開始的實驗中,雖然已經自卵細胞消除了基因印記,生出的小鼠卻還是有缺陷。爾後,中科院的學者們試著以單倍體胚胎幹細胞 ( haploid embryonic stem cell, haESC )[註] 重新挑戰這項研究。

他們在母源單倍體胚胎幹細胞中消除了 Kono 研究發現的兩個基因印記,之後將另一顆卵子注入,最後出生的孤雌小鼠的確有缺陷。不過這段旅程也並非無所獲,他們在過程中發現了一個表現異常的基因印記:Rasgrf1。

最後的嘗試,他們同時刪除單倍體胚胎幹細胞了包含 Rasgrf1 的三個基因印記,得到的結果證實是 Rasgrf1 造成了孤雌小鼠的缺陷。在刪除了三個基因印記之後,出生的孤雌小鼠便與正常的小鼠無異。人類第一次獲得了在各方面都正常、甚至有生育能力的孤雌生物。

消除基因印記後……哺乳類首見孤雄生殖成功了!

成功創造出孤雌生殖小鼠後,接下來研究團隊比較了父源與母源單倍體胚胎幹細胞的差異,發現他們在發育過程都會出現相近的甲基化模式,因此推測孤雄小鼠是有潛力被創造出來的。

研究人員在父源單倍體胚胎幹細胞篩選出了七個基因印記並將其去除,再將之與另一顆精子結合。最後這些細胞成功發育成活的孤雄小鼠,只是都在出生後兩天內死亡。

原先在動物界極為少見的孤雄生物,居然可以在哺乳類被建立出來!只是不難想像,如果要培育出正常發育且具生育能力的孤雄小鼠,還需要相當多的實驗和努力。

生物科技已經有如科幻電影一般的境界了,僅僅利用胚胎幹細胞和基因剪輯的技術,就可以破解哺乳類的生育原則。科技能解決和觸及的領域無遠弗屆,我們也不妨想想:這些孤雄或孤雌的小鼠後代是否合乎實驗倫理規範?該怎麼讓孤雌孤雄小鼠有正常的生理機能?這項技術有機會應用在其他物種身上嗎?

這個研究已經在學界產生一股旋風,各個研究機構的相關人員想必已經開始策劃實驗了,身為讀者的我們就拭目以待吧!

  • [註]:幹細胞裡的楊過:單倍體胚胎幹細胞 (haploid embryonic stem cell, haESC) 就如同一般胚胎幹細胞,有分裂分化的能力。不過單倍體胚胎幹細胞的特點在於:每個細胞都只有單套染色體!獨臂的楊過仍可施展黯然銷魂掌,單套染色體的胚胎幹細胞也有其優點:有利於研究一些未知的隱性基因突變。

參考資料:

  1. Cell Stem Cell. Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region Deletions. 2018 Oct;11. (23): 1-12。
  2.  Genetics. Production of androgenetic zebrafish (Danio rerio). 1996 Apr. (4): 1265-76.
  3.  Nature. Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood. 2004 Apr;22. (428): 860-864。

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關於作者

呂宏耘

畢業於清大化工所的無業游民,在摸索未來的生存之道時遇見泛科學。喜歡美食、懸疑片、以及角落生物。不喜歡霧霾、慣老闆、以及生離死別。

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