研究人员通过编辑两个精子的DNA培育出存活小鼠
通过改变DNA的化学修饰，两个精子的DNA能够培育出小鼠。
John Timmer – 2025年6月23日 下午5:34 | 20
图片来源： David A. Northcott
在许多物种中，胚胎的形成是雄性和雌性之间的一种竞争。雄性希望尽可能多的后代，并希望雌性为每个后代投入尽可能多的资源。雌性则更倾向于保持选择的开放性，并以一种最大化其一生中能产生的后代数量的方式分配资源。
在哺乳动物中，这种竞争通过DNA的化学修饰来体现，这一过程被称为印记。雄性通过在DNA上添加甲基修饰来印记其DNA，从而改变基因活性以促进胚胎的生长。雌性则通过类似的化学方式，但更关注关闭促进胚胎生长的基因。在基因组的少数几个关键区域，仅具有某一性别的特异性修饰会导致胚胎无法发育到其发育阶段。
这一现象的一个后果是，通常无法仅使用卵子或精子的DNA来产生胚胎。但过去几年里，研究人员逐渐找到了绕过印记位点需要来自父母双方的拷贝的方法。现在，在一项非常复杂的演示中，研究人员利用靶向编辑甲基化，成功从两个精子的DNA中培育出小鼠。
印记与同性父母
在小鼠中研究印记已有很长的历史。在基因组测序之前，人们就已识别出一些染色体区域，如果被删除会导致致命后果，但仅当这些区域从某一性别继承时才会发生。他们正确推断出这意味着该区域的基因在某一性别的生殖细胞中通常处于失活状态。如果在另一性别中被删除，则导致后代的组合——一个染色体缺失，另一个染色体失活——会致命。
随着时间推移，人们识别出七个关键的印记区域，散布在整个基因组中。大约20年前，一个团队找到了正确的删除方式，使雌性小鼠能够生育后代，这些后代从两个未受精卵中获得了一组染色体。研究人员将此与可以通过孤雌生殖（即雌性使用未受精卵繁殖）的动物进行了类比。但小鼠的例子显然需要通过在植入小鼠前对卵细胞进行体外培养操作才能实现。
到2016年，研究人员开始专门编辑印记基因的删除，以允许通过融合仅含单套染色体的干细胞系来创造胚胎。这比最初的实验更加聚焦，因为删除范围更小，仅影响少数基因。到2018年，他们已扩展了技术范围，弄清了如何在去除自身基因组的未受精卵中将两个精子的基因组结合在一起。
然而，由两个雄性父母产生的后代出生后当天即死亡。这可能是由于对印记的补偿不当，或者是由于删除对胚胎健康产生了额外影响。直到今年早些时候，研究人员通过一种非常特定的20种不同基因编辑和删除组合，才使由两个精子细胞染色体生成的小鼠能够存活至成年。
所有这些努力的问题在于，这些删除可能对动物健康产生影响，并且如果从相反性别继承仍可能存在问题。因此，尽管这是验证我们对印记在繁殖中作用理解的一种有趣方式，但未必是可靠繁殖工具的途径。这最终引出了当前的研究。
自行设定印记
上述内容未提及的是印记本身的性质：如何让染色体片段及其上的所有基因被标记为来自雄性或雌性？秘密在于以不改变碱基配对的方式对DNA区域进行化学修饰，使其能被蛋白质识别为不同。最常见的方法是将一个碳原子（甲基基团）连接到胞嘧啶碱基上。这会关闭附近的基因，并且可以通过细胞分裂继承，因为存在识别DNA单链未修饰并添加甲基的酶。
甲基化解释了印记现象。印记的关键区域在雄性和雌性中甲基化方式不同，这会影响附近基因的活性，并在整个胚胎发育过程中维持这种状态。
因此，为了弥补当两套染色体都来自同性时印记问题，需要进行靶向的甲基化重编程。这就是新论文背后研究人员所做的工作。
首先，他们需要区分两套染色体。为此，他们使用了两个关系较远的小鼠品系，一个是源自欧洲的标准实验室品系，另一个是不到一个世纪前在泰国野外捕获的。这两个品系分离时间足够长，导致基因组中散布着许多小的DNA序列差异。因此，可以利用这些差异来针对其中一个基因组。
这是通过使用已开发的DNA编辑系统的一部分实现的，其中最著名的是CRISPR/CAS。这些系统包含一种蛋白质，与RNA序列配对以在DNA中找到匹配序列。在这种情况下，这些RNA可以被设计成仅针对其中一个小鼠品系的印记区域。蛋白质/RNA组合还可以连接到修饰DNA的酶，无论是添加甲基还是移除甲基。
为了将所有这些整合起来，研究人员从一个卵子开始并删除了其基因组。然后他们注入了两个精子的头部，一个来自实验室品系，一个来自近期野外捕获的小鼠。这使他们得到了一个含有两套染色体的卵子，尽管其中四分之一会含有两个Y染色体从而不可存活（不同于Y染色体，X染色体包含必需基因）。随意地，他们选择了一套染色体作为雌性，并针对其进行甲基化和去甲基化酶的靶向操作以重编程其甲基化模式。一旦完成，他们就可以让卵子开始分裂并将其植入雌性小鼠体内。
稀少的成功
研究人员花时间确保酶确实按预期改变了甲基化状态，并且发育过程如常开始。他们的总体发现是，酶在靶向位点两侧约500个碱基范围内改变了甲基化状态，并且相当一致。但有七个不同的印记位点需要修改，每个位点控制多个邻近基因。因此，尽管修改是一致的，但并不总是足够彻底以导致所有邻近基因的预期变化。
这种低效率在存活率上表现出来。从超过250个重编程胚胎开始，他们最终得到了16次怀孕，但只有4次在出生时死亡，3次存活；根据其他实验，其余大部分在胚胎发育的后半段死亡。这3次存活的个体中，有一只几乎比典型幼崽大40%，表明生长调节存在问题——它在出生当天死亡。
所有3次存活的出生都是雄性，尽管数量太少，无法确定这是否具有统计学意义。
研究人员提出了几种可能的低效率原因。其中之一是，尽管正确重编程至少一个位点的概率很高，但重编程所有七个位点要困难得多。还有脱靶效应的风险，即修饰发生在与靶向位点序列相似的位置。他们也承认可能存在我们尚未识别的其他关键印记区域。
如果要将这种方法作为工具使用，需要解决这些问题，这可能在培育携带影响雌性存活或生育能力突变的小鼠方面具有潜在用途。但即使在效率较低的状态下，这项工作已经很有用，因为它为我们的关于印记在胚胎发育中的功能以及甲基化在这一过程中的关键作用的假设提供了相当明确的验证。如果我们对这两点的理解不正确，这种方法的效率不会低——它会是零。
PNAS, 2025. DOI: 10.1073/pnas.2425307122 (关于DOI)。
