在過(guò)去十年左右的時(shí)間里，科學(xué)家們已通過(guò)操縱印記基因組區(qū)域---在那里，DNA的表觀遺傳修飾將某些基因的表達(dá)限制在一個(gè)親本的拷貝中---培育出由兩只雌鼠作出遺傳貢獻(xiàn)的小鼠幼仔。

如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員對(duì)之前通過(guò)利用兩只雌鼠培育出看似能夠正常生長(zhǎng)的小鼠（所產(chǎn)生的這些小鼠能夠活到有它們自己的幼仔）的研究進(jìn)行改進(jìn)。

他們采用一種類(lèi)似的策略構(gòu)建出由兩只雄鼠產(chǎn)生的胚胎，不過(guò)它們的后代在出生后不能夠存活很長(zhǎng)時(shí)間。

相關(guān)研究結(jié)果于2018年10月11日在線發(fā)表在CellStemCell期刊上，論文標(biāo)題為“GenerationofBimaternalandBipaternalMicefromHypomethylatedHaploidESCswithImprintingRegionDeletions”。

論文通信作者為中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所胡寶洋（Bao-YangHu）研究員、周琪（QiZhou）研究員和李偉（WeiLi）研究員。

荷蘭拉德堡德大學(xué)生物學(xué)家HendrikMarks（未參與這項(xiàng)研究）說(shuō)，“這基本上是首項(xiàng)研究表明你能夠利用兩只雄鼠產(chǎn)生小鼠后代。”

眾所周知，基因組印記是比較重要的，這是因?yàn)樵诖酥皹?gòu)建雙母本胚胎（bimaternalembryo，也稱(chēng)雙母親胚胎）和雙父本胚胎（bipaternalembryo，也稱(chēng)雙父親胚胎）是比較困難的。

他補(bǔ)充道，“但是如今[這些作者]實(shí)際上能夠產(chǎn)生這些小鼠，這是一個(gè)起點(diǎn)。你能夠開(kāi)始研究每個(gè)印記基因并探尋它是如何發(fā)揮作用的。”

2012年，中國(guó)科學(xué)院的周琪課題組和趙小陽(yáng)（Xiao-YangZhao）課題組通過(guò)將單個(gè)精子注射到?jīng)]有細(xì)胞核的卵子中而構(gòu)建出具有正常染色體數(shù)量一半的小鼠胚胎干細(xì)胞（Nature,18October2012,doi:10.1038/nature11435）。

2013年，他們利用未受精的卵子構(gòu)建出單倍體胚胎干細(xì)胞（CellResearch,2013,doi:10.1038/cr2013126）。

2015年，他們將孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞（parthenogenetichaploidembryonicstemcell,phESC）注射到小鼠卵母細(xì)胞中，從而培育出由兩只雌鼠作出遺傳貢獻(xiàn)的小鼠后代，即雙母親小鼠（CellResearch,Publishedonline:18December2015,doi:10.1038/cr2015151）。

盡管所產(chǎn)生的小鼠后代能夠繁殖，但是它們總體上比野生型小鼠小。

在這項(xiàng)新的研究中，胡寶洋課題組、周琪課題組和李偉課題組想要對(duì)這種培育雙母親小鼠的方法加以改進(jìn)，利用它們的單倍體胚胎干細(xì)胞構(gòu)建首批雙父親小鼠。

胡寶洋研究員在發(fā)送給《科學(xué)家》雜志的電子郵件中寫(xiě)道，“最大的挑戰(zhàn)是我們并不知道雙父本繁殖（bipaternalreproduction,也稱(chēng)雙父親繁殖，孤雄繁殖）”在小鼠中是否是可行的。

他補(bǔ)充道，“雙母本繁殖（bimaternalreproduction,也稱(chēng)雙母親繁殖，孤雌繁殖），在自然界的脊椎動(dòng)物中是很常見(jiàn)的，比如兩棲動(dòng)物，爬行動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)。"然而，由兩只雄性動(dòng)物成功地進(jìn)行繁殖是非常罕見(jiàn)的，僅在利用斑馬魚(yú)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。

這些研究人員發(fā)現(xiàn)利用在兩個(gè)印記基因組區(qū)域中發(fā)生基因缺失的孤雌單倍體胚胎干細(xì)胞培育出的雙母親小鼠在行為測(cè)試中表現(xiàn)異常并且具有較小的身材。

為了讓它們更接近于正常的小鼠，他們隨后剔除了位于Rasgrf1基因上游的第三個(gè)長(zhǎng)12.1kb的印記基因組區(qū)域。

他們選擇Rasgrf1基因是因?yàn)樗谝吧统赡晷∈蠛碗p母親成年小鼠的大腦中差異性地表達(dá)。

很顯然，他們的選擇是正確的。由此產(chǎn)生的雙母親小鼠后代正常地生長(zhǎng)，而且在行為測(cè)試中與對(duì)照小鼠沒(méi)有差別。

為了解決雙父親胚胎的問(wèn)題，這些研究人員回到了他們?cè)?012年完成的那項(xiàng)研究（Nature,18October2012,doi:10.1038/nature11435）。

在那項(xiàng)研究中，他們通過(guò)將精子注射到?jīng)]有細(xì)胞核的卵子中而構(gòu)建出孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞（androgenetichaploidembryonicstemcell,ahESC）。

當(dāng)他們將其中的一個(gè)孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞和另一個(gè)精子插入到新鮮的沒(méi)有細(xì)胞核的卵子中時(shí)，胚胎發(fā)育開(kāi)始發(fā)生。但這些胚胎在第8天左右停止生長(zhǎng)，此后不久胎盤(pán)也停止生長(zhǎng)。

因此，這些研究人員轉(zhuǎn)向了一種稱(chēng)為四倍體胚胎互補(bǔ)（tetraploidcomplementation）的技術(shù)，這種技術(shù)促進(jìn)由胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生的胚胎中的胎盤(pán)發(fā)育。

他們從雙父親胚胎中獲得二倍體胚胎干細(xì)胞，在讓這些二倍體胚胎干細(xì)胞長(zhǎng)成胚泡（blastocyst）后，他們將另一個(gè)孤雄單倍體胚胎干細(xì)胞注入胚泡中。即使采取了額外的步驟，這些研究人員也必須剔除7個(gè)之前已經(jīng)證實(shí)影響胚胎發(fā)育的印記基因組區(qū)域，才能成功培育出雙父親小鼠幼仔。

僅少剔除一個(gè)印記基因組區(qū)域就會(huì)導(dǎo)致所產(chǎn)生的雙父親小鼠幼仔在出生后因呼吸問(wèn)題而快速地死亡，它們?cè)隗w重上是野生型小鼠幼仔的兩倍并且全身腫脹。

缺失這7個(gè)印記基因組區(qū)域的雙父親小鼠幼仔仍然比野生型小鼠幼仔略大，并且在出生后不久就死亡，不過(guò)其中的兩只雙父親小鼠幼仔的壽命超過(guò)48小時(shí)。

胡寶洋研究員告訴《科學(xué)家》雜志，“為了獲得活的雙父親小鼠，我們需要剔除6個(gè)以上的印記基因組區(qū)域，這意味著與雙母親繁殖相比，雙父親繁殖需要克服更多的障礙。”

使用這些策略中的任何一種構(gòu)建雙父親胚胎或雙母親胚胎都是低效的。

僅大約14%的嘗試產(chǎn)生了雙母親胚胎，僅2.5%的四倍體胚胎互補(bǔ)嘗試產(chǎn)生了缺失7個(gè)基因（即Nespas、Grb10、Igf2r、Snrpn、Kcnq1、Peg3和Gnas）的雙父親胚胎。

美國(guó)波士頓兒童醫(yī)院生物學(xué)家YiZhang（未參與這項(xiàng)研究）說(shuō)，“這篇論文的最為重要的部分是他們成功地培育出雙父親胚胎并且讓它們發(fā)育成型。”然而，鑒于存在效率低下、雙父親小鼠幼仔較短的壽命以及關(guān)于雙母親小鼠健康狀況的未知因素等問(wèn)題，他提醒道，這些研究人員的策略在人體中的“實(shí)際應(yīng)用仍然很遠(yuǎn)”。

如今，哺乳動(dòng)物孤雌生殖和孤雄生殖已在實(shí)驗(yàn)室中獲得了成功。盡管存在著上述提及的這些問(wèn)題，但是鑒于科學(xué)仍在不斷發(fā)展，我們有朝一日將能夠破解關(guān)于生命和人類(lèi)自身的奧秘。