在陽光透過斑駁樹葉灑在地面的清晨，或是電閃雷鳴震撼夜空的夜晚，動物園的飼養員像往常一樣，沿著獸欄逐一巡查。當他的目光落在一隻熟悉的雌性動物身上，不管那是一隻靈動的鳥，還是安靜的蜥蜴，他的腳步猛地定住了。
籠子裡沒有任何雄性的身影，可那雌性動物身旁，竟出現了一窩幼崽！幼崽們睜著圓溜溜、懵懂的眼睛，好奇打量著這個陌生世界，而飼養員卻呆立當場，內心掀起驚濤駭浪。
這樣的現象並非個例。在實驗室的精密儀器旁，在動物園的動物圍欄中，甚至在私人飼養的溫馨小窩裡，人們一次次見證了這種 “奇蹟”。家雞歡快踱步【1】，禿鷲在天空翱翔【2】，科莫多巨蜥威風凜凜【3】，還有池塘裡偶爾鳴叫的蛙類【4】，這些雌性個體在沒有雄性伴侶的情況下，成功孕育了新生命，這種現象被稱作孤雌生殖（parthenogenesis） 。
然而，在眾多展現孤雌生殖能力的物種裡，哺乳動物卻始終是個例外。其實，早在 20 世紀 80 年代，科學家們就開始了對哺乳動物孤雌生殖的探索。他們試圖構建全母源胚胎，這些胚胎的 DNA 完全來自母親，沒有一絲父本基因的痕跡。實驗室裡，這些胚胎被成功培育出來，可一旦移植到母體子宮，就像被施了魔咒，無一例外地停止發育，最終胎死腹中【5,6】。
科學探索就像一場神秘的冒險，總能揭示出令人著迷的進化邏輯。每個基因似乎都揹負著獨特的 “使命”，有的基因讓生物更加強壯，足以抵禦冬日的嚴寒；有的改變生物的毛色，幫助它們巧妙避開天敵。20 世紀 90 年代初，科學家在哺乳動物中發現了一類特殊的基因 —— 印記基因 （imprinted genes）【7-9】。普通基因平等地表達父母雙方的遺傳資訊，而印記基因卻很 “任性”，只從父本或母本一方表達，另一方則默默 “隱身”。這一獨特機制讓哺乳動物的兩套基因組不再相同，後代的正常發育離不開父母雙方完整的遺傳資訊，也似乎為哺乳動物無法進行孤雌生殖給出了合理答案：印記基因憑藉獨特的表達方式，關上了單親繁殖的大門。
2004 年，日本科學家 Tomohiro Kono 及其團隊的研究，為這一假說提供了有力支援。他們就像基因世界裡的 “精密工匠”，精準修改關鍵印記基因 ——H19 的調控區，成功培育出世界上第一隻孤雌小鼠。這隻小鼠的所有 DNA 都來自母親，完全不依賴雄性【10】。但這僅僅是探索的開始。後續實驗中，Kono 團隊發現，這些孤雌小鼠和普通小鼠相比，有著明顯差異：它們體重遠遠低於正常小鼠，而且這個特徵伴隨一生【11】；更讓人驚訝的是，它們的壽命竟然比普通小鼠長了28%【12】。這一突破性發現丟擲了一個深刻問題：沒有父親基因，生命軌跡會發生怎樣的改變？沒有父親的 DNA，是否能讓我們活得更輕盈、更長久？
為了揭開孤雌生殖的神秘面紗，我們不妨把目光轉向它的 “對立面”—— 孤雄生殖 （androgenesis） 。孤雄生殖更像是存在於理論中的奇妙構想，在自然界的脊椎動物中，至今還未發現純雄性繁殖的真實案例。這背後有著深層次的生物學原因。卵子不僅提供遺傳物質，還為胚胎髮育初期提供所有必需物質，蛋白質、RNA、初始細胞器等，這些複雜的分子機器是生命起始的關鍵。而精子只是微小的遺傳資訊載體，缺乏這些 “啟動工具”，無法獨自支撐胚胎正常發育。
在哺乳動物實驗中，科學家試圖透過顯微操作構建孤雄胚胎。他們去除卵母細胞的細胞核，注入兩枚精子的遺傳物質，試圖創造 “純雄性” 受精卵。可這些胚胎的命運比孤雌胚胎更悲慘，往往在更早階段就停止發育，還伴有嚴重的發育異常【13】。這似乎揭示了一個殘酷的生物學事實：在哺乳動物中，孤雄生殖比孤雌生殖更加難以實現。
儘管困難重重，中國科學院的科學家們沒有退縮。他們將小鼠精子注入去核卵細胞，成功培育出孤雄來源的單倍體胚胎幹細胞【14,15】。這些細胞只繼承了精子的 DNA，也為基因編輯開啟了新的大門。以往，科學家無法直接編輯精子中的印記基因，這次突破為未來研究指明瞭新方向。
那麼，編輯哪些印記基因最有可能實現孤雄生殖呢？已有研究表明，多個印記基因異常與胚胎髮育問題緊密相關，尤其是父源 DNA 的異常二倍化，通常會導致胚胎早期死亡。不難猜到，孤雄胚胎有兩套父本 DNA，這些印記基因區域很可能是阻礙其正常發育的關鍵。科學家已知的這些印記區域包括 Nespas、Igf2r、Kcnq1、Peg3、Snrpn 和 Grb10 等。基於此，研究團隊在孤雄單倍體胚胎幹細胞中逐一修復這些印記區域，再將經過基因編輯的胚胎幹細胞與另一枚精子共同注入去核卵細胞，期待突破孤雄胚胎的發育瓶頸【16】。
攜帶六個關鍵印記基因區段修復的孤雄小鼠
然而，結果既讓人驚訝又困惑。編輯後的孤雄小鼠出生了，可它們的外形和正常小鼠截然不同，倒像一隻奇怪的小海象：體長只有約三釐米，身體胖乎乎的，四肢短小，浮腫嚴重，無法正常呼吸和活動。更讓人難過的是，這些小鼠出生後 48 小時內就不幸死亡。
這是為什麼呢？孤雄小鼠能順利出生，似乎說明印記基因編輯在突破發育障礙上起了作用。但出生後的小鼠嚴重異常，最終無法存活，這暗示著孤雄生殖背後或許還藏著未被發現的致命阻礙。
解剖孤雄小鼠後，科學家發現水腫不僅出現在體表，還蔓延到內臟器官，導致部分器官顯著腫大，比如肝臟，比正常小鼠大了五倍【17】！這一異常現象讓科學家提出假設：孤雄小鼠的死亡或許是因為內臟器官過度膨脹，壓迫胸腔和其他器官，影響了正常生理功能。畢竟，新生哺乳動物的生存依賴呼吸、哺乳等基本功能，而這些需要足夠的體內空間。
這個假設雖和已有的印記基因功能研究不完全相符，卻激發了科學家的探索熱情，推動了第二輪基因編輯。這次，他們的目標不僅是修復導致胚胎死亡的印記基因，還擴充套件到所有可能與胚胎過度生長相關的區域。經過五輪基因編輯，涉及 19 個不同的印記區段，孤雄小鼠體重逐漸下降，內臟器官腫大和水腫等異常症狀開始緩解，最終約 30% 的孤雄小鼠成功存活至成年。不過，要實現完整的孤雄生殖，還有一個重要挑戰 —— 胎盤。
在之前培育孤雄小鼠的過程中，科學家意外發現，孤雄胚胎無法發育出正常胎盤。所以，這些小鼠是透過 “四倍體補償” 技術間接產生的。該技術利用普通受精卵，特殊處理使其四倍化，僅為胎盤提供多倍體細胞。這些多倍體細胞與孤雄胚胎細胞結合，為胚胎髮育提供了所需的胎盤組織。
為了獲得能支援孤雄小鼠胚胎髮育的足夠胎盤，研究團隊繼續探索，發現孤雄胎盤中某些印記基因表達異常。與大多數透過父母 DNA 甲基化區段調控的印記基因不同，這些特殊印記基因 —— 一個包含 72 個 microRNA 的印記區域 （Sfmbt2 - miRNA 簇） ，受到非經典印記機制調控。非經典印記不直接作用於 DNA，而是作用於緊密纏繞 DNA 的組蛋白，其甲基化特徵也具有親本特異性【18】。更特別的是，非經典印記基因通常在胎盤中展現親本特異性表達模式，而非在胎兒中。透過進一步修復這些印記基因的表達，研究人員成功構建攜帶 20 個印記區段基因編輯的孤雄單倍體胚胎幹細胞，並將其與精子共同注入去核卵細胞。令人激動的是，這些孤雄胚胎不僅能發育，還成功生成了可存活的胎兒和功能完整的胎盤。
再來看看出生後的孤雄小鼠，它們和普通小鼠有著顯著不同，尤其是體重增長方面。普通小鼠體重達到 20 克時，孤雄小鼠體重大約已達 30 克。而且，孤雄小鼠表現出更強的探索欲。在曠場實驗中，它們頻繁進入中心區域，這和齧齒類動物習慣沿邊緣活動的習性相悖。有趣的是，孤雌小鼠不僅體重增長模式和孤雄小鼠相反 （體重偏小） ，行為上也形成對比：曠場實驗裡，孤雌小鼠幾乎總沿著邊緣活動，很少進入中心區域。這種孤雄與孤雌小鼠行為上的 “映象” 現象，令人驚歎。
成年的孤雄小鼠（左）和同齡、同性別的野生型對照小鼠
它們的壽命也有明顯差異。孤雌小鼠壽命較長，而孤雄小鼠壽命僅為普通小鼠的 60%。對孤雌和孤雄小鼠 DNA 甲基化檢測發現，孤雌小鼠印記基因甲基化特徵和卵子的甲基化模式高度相似，孤雄小鼠則更多保留了精子的甲基化特徵。這一發現不僅在大腦、小腦和多種內臟器官的甲基化檢測中得到驗證，也為理解它們在體重、行為和壽命上的差異提供了新線索。這些差異很可能源於它們體內未完全修復的殘餘基因印記。
孤雄小鼠的研究，為哺乳動物印記基因的形成及其在單性生殖障礙中的作用，提供了更合理的解釋。修復單個印記基因異常就能成功產生孤雌小鼠，但孤雄小鼠實驗表明，印記基因的演化目標並非直接阻止單性生殖。實際上，印記基因和單性生殖的關係更多是間接效應：當體內有兩套父本 DNA 時，胚胎往往過度生長，而這種過度生長在生物學上不可持續，最終影響存活。雖然這些異常的單獨效應不致命，但修復它們卻能產生可存活的個體。
所以，印記基因的作用或許不只是阻止單性生殖，還和胚胎髮育需求緊密相連。印記基因調控著母源與父源基因的相互作用，影響胚胎髮育，間接決定了孤雄或孤雌小鼠的誕生。這一過程符合經典的衝突假說 （conflict hypothesis）【19】。該假說提出，印記基因的演化和生殖障礙沒有直接關聯，而是透過調控胚胎在母體子宮內的發育，幫助胎兒適應有限空間 （值得一提的是，這個假說早在第一個印記基因被發現前就已提出，實在令人欽佩【20】） 。母源印記基因傾向於 “縮小” 胎兒體積，以適應有限的子宮空間；父源印記基因則透過 “增大” 胎兒體積，提高後代生存機率。孤雄與孤雌小鼠在體重、行為和壽命上的映象差異，正是父母基因博弈的副產品。由此可見，印記基因的進化不是針對單性生殖，而是透過平衡胚胎髮育所需的空間和資源，促進物種生存。孤雄和孤雌小鼠的研究，不僅為我們理解哺乳動物單性生殖障礙提供了新視角，也為探索基因與環境適應的複雜關係提供了寶貴線索。
注：為方便閱讀，本文將研究中獲得的基因編輯小鼠稱為孤雄小鼠。實際上，鑑於這些小鼠擁有來自兩位 “父親” 的基因，準確名稱應為 “雙父本小鼠”。類似的，孤雌小鼠準確名稱應為 “雙母本小鼠”。
該研究以Adult bi-paternal offspring generated through direct modification of imprinted genes in mammals為題於2025年1月28日在Cell Stem Cell刊物線上發表，由中國科學院動物研究所，北京幹細胞與再生醫學研究院與中山大學合作完成。中國科學院動物研究所李偉、周琪、李治琨與中山大學駱觀正是論文共同通訊作者。中國科學院動物研究所李治琨、王立賓、王樂韻、孫雪寒、馬思楠、趙玉龍，以及中山大學任澤慧是本研究共同第一作者。
https://doi.org/10.1016/j.stem.2025.01.005
製版人：十一
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