两个父亲也能繁衍后代

利用诱导多能干细胞技术和染色体复制技术相结合，成功将雄性干细胞转变成雌性干细胞，并分化形成卵细胞，是孤雄生殖的关键（图中小鼠非实验所用）。 （视觉中国/图）

2023年3月8日，日本九州大学的林克彦（Katsuhiko Hayashi）教授在第三届人类基因组编辑国际峰会上宣布，该团队利用诱导多能干细胞技术和染色体复制技术相结合，成功将雄性干细胞转变成雌性干细胞，并分化形成卵细胞，经与另一只雄性小鼠精子结合形成受精卵，在代孕母鼠的协助下，最终孕育出健康的小鼠，进一步突破了哺乳动物生殖的性别限制，引起《自然》等媒体的广泛关注。

在自然条件下，哺乳动物属于有性生殖，其孕育后代需要雌性动物和雄性动物的共同参与，即精子和卵子的结合形成受精卵。像《西游记》女儿国里只需要单个女性即可孕育后代的故事，一般只存在于神话传说和文学作品中。但是，有些科学家喜欢挑战这种生殖的性别限制，要么让雌性动物与雌性动物“结合”，要么让雄性动物和雄性动物“结合”，看看这种非自然繁殖能否产生后代。前者被称为“孤雌生殖”，后者则被称为“孤雄生殖”。这种“不按常理出牌”的前沿研究当然并非博人眼球，而是主要为人类不孕不育症等生殖难题探索解决之道，同时也是为了研究与性别形成等相关的基础科学问题。

孤雌生殖

孤雌生殖原本是一种无性繁殖的自然形式，在一些植物、藻类、无脊椎动物物种中比较常见，在一些鱼类、两栖类和鸟类等脊椎动物中也时有发生，而哺乳动物孤雌生殖自然发生的情况尚未发现。不过，在实验室，科学家通过一些物理、化学或生物手段，可诱导卵母细胞在没有精子参与的情况下形成孤雌胚胎，但是孤雌胚胎很难发育成存活个体。

科学家发现，孤雌生殖难以成功的主要原因之一是，正常受精卵的基因组由父系基因组和母系基因组组成，这两种来源的基因组上都有一些控制胚胎发育的甲基化标记（基因组印记），这些基因组印记可理解为启动胚胎发育的“分子开关”，而孤雌胚胎正是缺乏父系基因组的“分子开关”，导致其无法正常发育。

2004年，日本东京农业大学的科学家将两个卵母细胞合二为一，形成孤雌胚胎，通过代孕，457枚孤雌胚胎最终获得健康存活的两只小鼠，其中一只小鼠活到成年，并可正常生育后代。这只孤雌生殖小鼠被命名为辉夜姬，辉夜姬是日本神话人物，在竹子里孕育而生。在这项研究中，日本科学家采用了一种非生长卵母细胞，其母系基因组印记尚不明显，而且研究人员还通过转基因技术让该细胞表达一些只有父系基因组才有的基因，从而促成了辉夜姬小鼠的诞生。该研究发表在国际著名学术期刊《自然》上，备受关注。2007年，该团队还在《自然生物技术》杂志报道了改进的研究成果，即敲除了未生长卵母细胞基因组中受父系“分子开关”控制的关键区域，结果286枚孤雌胚胎发育出了42只存活小鼠，其中27只发育到成年，实现了双母小鼠的规模化生产，也表明这些父系基因组印记区域对双母小鼠诞生和成活至关重要。

不过，由于未生长卵母细胞来源有限，日本科学家的技术路线难以在人类辅助生殖应用。中国科学院动物研究所的研究人员提出了另一条更具应用前景的技术路线，即利用经过基因修饰的胚胎干细胞代替未生长细胞，将孤雌单倍体胚胎干细胞注射到处于有丝分裂II期的卵母细胞内形成双母胚胎，也可有效获得健康存活到成年的双母小鼠。由于体细胞可经诱导产生类似胚胎干细胞功能的多功能干细胞，因此孤雌干细胞比未生长卵母细胞具有更广阔的应用前景。

2022年3月，上海交通大学的魏延昌团队在《美国科学院院刊》上宣布，他们发明了一种全新的双母小鼠制备方法。研究人员直接对小鼠的卵母细胞进行基因编辑，对2个父系印记的基因和5个母系印记基因进行修饰，然后让基因编辑卵母细胞染色体加倍形成二倍体孤雌胚胎，这些孤雌胚胎经过代孕母鼠孕育，最终成功产下3只双母小鼠，其中一只小鼠成年并可正常生育。这是孤雌生殖最新的重磅研究，哺乳动物孤雌生殖的成功也有望为农业、研究和医学带来一些新的发展机遇。

孤雄生殖

相对于孤雌生殖，孤雄生殖更加少见，在实验室也更难实现。

首先获得孤雄生殖小鼠的也是中国科学院动物研究所周琪院士团队。2018年，周琪团队在培育出双母小鼠的同时，也开展了双父小鼠的研究。研究人员将敲除了6个父系印记基因的雄激素胚胎干细胞和精子一同注射到去核的卵母细胞中，获得双父胚胎，双父胚胎移植到代孕母鼠体内后，只有约1.2%的双父胚胎发育到期。但是这些双父小鼠大多表现出生长过快、水肿等问题，全部在出生不久就因为呼吸困难或无法吸奶而死亡，表明这一方法培育的双父小鼠并没有解决母系印记障碍，而且该研究仍然需要卵母细胞的参与，并非完全意义的孤雄生殖。

这一次，日本九州大学的林克彦（Katsuhiko Hayashi）教授团队则采取了全新的技术路线。该团队首先从小鼠皮肤中提取体细胞，然后添加一些转录因子将其培养成诱导多能干细胞，从而具有类似胚胎干细胞的多能性，理论上可分化成小鼠的任何细胞。这项研究最大的创新在于对干细胞的染色体对进行了改造，即将雄性干细胞原本的XY染色体对改造成XX染色体对。他们先通过多代培养，让雄性诱导多能干细胞的Y染色体自发丢失，然后从另一个细胞“借来”的X染色体代替，以产生具有两条相同X染色体的诱导多能干细胞。接下来，研究人员将上述改造过的诱导多能干细胞放在卵巢类器官中培养，这是一种旨在复制小鼠卵巢内部条件的培养系统，以使其分化成卵母细胞。最后，研究人员再利用这种卵母细胞与另一只小鼠的精子结合，产生受精卵，移植到代孕母鼠体内。

根据林克彦教授在新闻发布会上公布的初步数据，在630个移植的胚胎中，共有7个发育成健康存活的幼鼠，而且这些孤雄小鼠状态良好，已健康长大，并可生育后代。虽然目前整体效率仅有1%左右，但是这将是世界上首次获得的健康成活孤雄小鼠，意义重大。

不过，目前林克彦教授团队的这项研究尚未正式发表。据林克彦教授透露，他们已将研究论文提交《自然》杂志审核。2023年3月9日，《自然》网站也以《有两个爸爸的老鼠：科学家用雄性细胞制造卵子》为题报道了这一重大新闻。

日本九州大学的林克彦（Katsuhiko Hayashi）教授。

目前，林克彦团队还计划利用类似的技术制造人类的双雄胚胎，希望未来10~20年取得突破。如果届时取得突破，这项技术将为特殊的不孕不育症、男男同性恋生育等难题提供可期待的解决方案，甚至单身男子将来也可拥有自己的孩子。不过，在开展人类临床之前，这项新技术还需要迈过伦理这一关。另外，该研究本身也有很多技术细节需要进一步优化。

南方周末特约撰稿 汤波