Nature正式发表：干细胞技术创造出来自两个父亲的小鼠，还能正常生育

2023年3月8日，日本大阪大学林克彦（Katsuhiko Hayashi）教授在第三届人类基因组编辑国际峰会上宣布，他们使用雄性小鼠的细胞培育出了卵子，并且这些卵子可以与雄性精子受精，将其植入雌性小鼠体内，能够发育出健康、可育的后代。

一周后的3月15日，Nature 正式发表了这项重磅研究成果【1】，论文题为：Generation of functional oocytes from male mice in vitro。

虽然这项研究距离应用于人类还有很长的路要走，但它提供了早期概念验证，为治疗某些原因的不孕不育带来了新的可能性，甚至允许产生单亲胚胎，这是一个具有巨大潜在应用价值的重大进步。

林克彦教授

对于哺乳动物来说，只能进行有性生殖，需要雄性的精子和雌性的卵子结合，才能产生后代，而后代具有来自父母双亲的遗传物质。然而，有些基因只有来自父亲的等位基因表达，有些则只有来自母亲的等位基因表达，也就是所谓的基因组印记，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，阻碍了孤雌生殖或孤雄生殖的实现。

一直以来，科学家们都在努力实现哺乳动物孤雄生殖或孤雌生殖的壮举。

早在2018年，中科院动物研究所胡宝洋研究员、周琪院士、李伟研究员合作，在 Cell Stem Cell 期刊上发表了题为：Generation of Bimaternal and Bipaternal Mice from Hypomethylated Haploid ESCs with Imprinting Region 的研究论文【2】。

该研究结合单倍体干细胞技术和基因编辑技术，使用有精子或卵子制成的胚胎干细胞培育出了具有两个父亲或两个母亲的小鼠。其中有两个母亲的小鼠能够存活到成年，并具有生育能力，而有两个父亲的小鼠只能存活几小时到2天时间。这也说明了孤雄生殖比孤雌生殖更难实现。

2020年12月，林克彦（Katsuhiko Hayashi）等人在 Nature 期刊发表了题为：Reconstitution of the oocyte transcriptional network with transcription factors 的研究论文【3】。

这项研究表明，一组8种转录因子可以在实验室中将小鼠的多能干细胞转化为卵母细胞样细胞。这项研究让人造卵细胞成为现实。

2021年7月，林克彦（Katsuhiko Hayashi）等人在 Science 期刊发表了题为：Generation of ovarian follicles from mouse pluripotent stem cells 的研究论文【4】。

研究团队通过诱导雌性小鼠的胚胎干细胞逐步分化，最终产生了大量与卵巢体细胞类似的胚胎卵巢体细胞样细胞（FOSLCs）。这些FOSLCs与来自小鼠胚胎干细胞的卵母细胞放在一起共同培养时，FOSLCs产生了卵巢卵泡结构，而小鼠胚胎干细胞的卵母细胞在该结构中发育成了有活力的卵子。这些体外生成的卵子可以完成受精，将受精后的卵子移植到雌性小鼠子宫内，小鼠繁殖出了健康的后代。

有了上述这些研究基础，林克彦等人开始了使用成年雄性小鼠的细胞来制造卵子的项目。他们对这些细胞进行了重编程，以创造出诱导多能干细胞（iPSC）。他们在实验室培养这些细胞，直到其中一些细胞自发地失去了Y染色体。

然后，研究团队使用逆转素（Reversine）来处理细胞，这种化合物可以在细胞分裂过程中促进染色体错误分配。他们从中找到了出现两条X染色体的细胞。

在此基础上，研究团队为iPSC提供了形成未成熟卵子所需的遗传信号。然后，他们使用小鼠的精子来进行受精，并将产生的胚胎移植到雌性小鼠子宫中。

研究团队表示，这些胚胎的存活率很低，移植的630个胚胎中，只有7个发育成幼崽（1.11%），但这些幼崽生长正常，成年后具有生育能力。

该研究的领导者林克彦表示，这项技术距离医疗应用还有很长的路要走，因为小鼠与人类之间有很多差异，这项差异常常让生殖和干细胞生物学的发现从小鼠转化到临床的努力复杂化。目前，研究团队在仔细描述实验中的小鼠幼崽的特征，以寻找它们与正常生育的幼崽的不同之处。

对于这项研究成果，日本京都大学发育生物学家 Mitinori Saitou 表示，在人类细胞上进行同样的技术，可能需要在实验室中培养卵细胞的时间更长，而培养周期变长，那么遗传突变和表观遗传异常都会累积。因此，培养时间越短越好。

此外，基因组上的表观遗传标记对后代发育的影响超过对胚胎阶段的影响，因此，这项研究还需要进一步探索这些雄性小鼠细胞来源的卵子的表观遗传修饰及其长期影响。更重要的是，这项技术构建的胚胎的存活率还是太低了，还需要进一步提高成功率。

如果这些障碍被克服，林克彦等人开发的这一染色体工程方法有望为一些由性染色体异常引起的不孕不育提供治疗，例如特纳氏综合征（患者缺少一条X染色体或部分X染色体）。这项研究成果还可能将人类生殖带入新的领域。如果应用于人类，可能会帮助男性配偶拥有亲生孩子，在未来，也可能帮助单身男性拥有亲生孩子。

最后，林克彦表示，这项技术不仅需要对生物学方法进行技术上的改进，还需要进一步讨论伦理影响，自己也不知道这种技术是否真的能适应人类社会。