对于所有的生物来说,生殖方式只有两种,有性生殖和无性生殖。其中, 有性生殖对于生物来说又是最为重要的生殖方式之一。有性生殖是很容易理解的,即经过两性生殖细胞的结合,形成了受精卵,受精卵又发育成了个体。 在有性生殖当中,又有一种非常特别的方式。有的动物繁殖并不一定需要雄性的参与,只要有雌体来产卵就可以了,也就是说不需要有精子的参与,就可以发育成新的个体了。一般来说,卵直接发育成的后代均为雌性个体。对于有的生物来说,往往是两性生殖与孤雌生殖并存的,比如蜜蜂和蚜虫。 但问题又来了,许多脊椎动物,如青蛙和鱼类都可以进行孤雌生殖,但是哺乳动物却不行,这是为什么? 哺乳动物为何无法进行孤雌生殖? 对于高等的哺乳动物来说,只有雄性的精子和雌性的卵子结合之后才能产生后代,后代具有来自双亲的遗传物质。哺乳动物为了能够保证基因的多样性,还特别进化出了可以区分卵细胞和精子的基因组,我们称为印记基因。 我们有的基因表达来自父亲,有的来自母亲,这些基因会在受精的过程中,让受精卵的某些等位基因表达,而有的不表达。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。 从进化的角度上来看,印记基因是卵细胞和精子在相互博弈当中达到的一种微妙平衡,这种平衡是无法轻易打破的。 如果我们把印记基因去掉会怎样? 既然是印记基因阻碍了孤雌生殖的实现,那么我们就将它去掉好了。早在十几年前,东莞南京农业大学的河野友宏教授团队就按照这个思路,敲掉母鼠身上一个最强有力的雌性印记基因还有其他的基因元件,这让这只母鼠身上表达了强力的雄性印记基因。 下一个步骤是从改造后的母鼠身上提取卵子,然后再用另一个卵子来将其催熟,于是得到了一些表达上类似于雄性基因的卵子。实验进行得异常顺利,人类历史上首批孤雌生殖小鼠诞生了,但是没有想到这些小鼠生下来之后都有严重的发育缺陷。 在此后的研究当中,科学家也终于培育出了稳定健康的小鼠,但实际上这些小鼠并不是真正的孤雌生殖,毕竟它们是由两个卵子形成的,而且基因缺陷的概率非常大。 实现真正的孤雌生殖 科学家仍想探究,我们究竟要如何才能让真正地实现孤雌生殖,也就是说诞生的小鼠只有一位母亲,且没有父亲。 除了暴力拆除,科学家发现,DNA甲基化能够化学修饰DNA,在不改变序列的前提下,直接改变遗传表现。如果我们针对某些关键的基因来进行甲基化和去甲基化,那么我们就有可能实现孤雌生殖。 于是,在2022年3月7日,上海交通大学医学院附属仁济医院生殖医学中心魏延昌等人在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了相关的研究论文,这意味着人类实现了孤雌生殖。 魏延昌团队最终在卵母细胞中确定了 7 个需要被表达或沉默的基因,其中 2 个是父系印记基因,剩余的均是母系印记基因。对父系基因甲基化,让其沉默,然后对母系印记基因去甲基化令其表达。这样的条件下生成的小鼠不太健康。科学家继续进行了改进,它们发现小鼠的Rasgrf1 基因表达水平较低,于是对这个基因也进行了去甲基化修饰之后,诞生的小鼠更加健康了,而且具有正常的生殖能力。 在整个大自然当中,单性生殖并不少见,但是却不存在于哺乳动物当中。为了确保基因的多样性,哺乳动物还进化出了背道而驰的印记基因,让单性生殖成为不可能。 然而,对于科学来说,研究哺乳动物的孤雌生殖是具有重大意义的。科学家的本质就是探索未知,是人类不断认识自己、认识宇宙的过程,探索生殖的奥秘,能帮助我们解开生存的秘密。在了解了我们的生殖之后,或许未来能够避免人类在进化中走入死胡同。 关注麦克斯韦的科学,带你了解最新最有趣的科学动态。