没有卵子受精,精子也能产后代

2016-09-18 绿谷生物 Nat Commun
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精子在不受精的情况下也能产后代?如今科学家得出了肯定的回答,他们利用非卵细胞成功创造了胚胎,并且能生育后代。这意味着,也许有一天我们可以利用其它类型的细胞来创建胚胎,例如体细胞、皮肤细胞等。该研究也颠覆了传统的哺乳动物生育观。

当精子与卵子受精时,会发生许多染色体和DNA的改变事件,这种改变也被称为重编程。几个世纪以来,科学家们认为只有卵子能影响精子的重编程过程。然而,近日发表在《Nature Communications》杂志上的新研究首次利用非卵细胞成功创造了胚胎,且这种胚胎能生育出健康的且具有生育力的后代。



精子在不受精的情况下也能产后代

研究人员以孤雌胚胎作为研究起点——在缺少雄性配子基因组的情况下直接激活有减数分裂Ⅱ期卵子能够形成孤雌囊胚。尽管未受精,发生减数分裂的卵母细胞可通过化学诱导而进行正常的细胞分裂。

在化学诱导13小时后(在该时间段,细胞进行DNA复制以及为第一次细胞分裂做准备),研究人员利用卵胞浆内单精子注射技术(ICSI)将精子注射到卵母细胞中,它们均包含一个单倍体基因组,随着细胞周期的发展,胚胎分裂成两个细胞。

染色体在这两个细胞之间有多种可能的分配方式。研究人员选取了一个两细胞的胚胎,在这个胚胎中,其中一个细胞的染色体有一半来自卵母细胞一半来自精子,这也是最具有生存机会的细胞。随后研究人员摧毁了该胚胎中的另外一个细胞,通过这种方式创建的胚胎被称为“phICSI”。

此外,研究人员在减数分裂中期II时通过ICSI将精子注射到卵母细胞中,这也是受精时通常发生的过程,以此创建的胚胎作为对照组,并称为ICSI胚胎。在两细胞时期,研究人员摧毁每个ICSI胚胎中的一个细胞。

接下来,研究人员将phICSI和ICSI胚胎植入到假孕雌鼠体内。结果发现,phICSI胚胎组能存活的有10.4%,而ICSI胚胎组中有43.4%的存活率。研究人员还在化学诱导7小时和10小时后将精子注射到卵母细胞中,但发现生成的胚胎存活率要小得多。

首次表明,通过不同的表观遗传学途径来获得后代


除了观察生存能力,研究人员还研究了 phICSI 胚胎组和ICSI胚胎组中染色质的重组方式。精子重编程的步骤之一是将精子DNA中缠绕着的卵子组蛋白替换成精蛋白。研究人员发现,phICSI 胚胎组能正常进行组蛋白和精蛋白的交换,但重组还涉及到了其他的表观遗传学变化,且这种变化在 ICSI 胚胎组和 phICSI胚胎组中有差异。例如, phICSI胚胎组中母体染色质中的H3K9二甲基化水平较低。

巴斯大学的生物学家Anthony Perry是该研究的引领者,他说,“能生育后代的phICSI胚胎,几乎都是与ICSI胚胎组存在这些表观遗传学差异的胚胎,因此我认为这是非常重要的,因为它表明可以通过不同的表观遗传学途径来获得后代。”

美国密歇根Van Andel 研究所发育编程研究员Piroska Szabó对该研究评论道,“能培养正常且具有生殖能力的小鼠,这是非常惊人的,因为在这些案例中发生了很多的表观遗传学事件。”

颠覆传统观点

加拿大麦吉尔大学发育生物学家Hugh Clarke对该研究评论道,“研究人员表明,已经开始胚胎发育并进行分裂的卵母细胞仍能“改变”精子DNA,这种能力不仅限于受精时的卵子。”该研究质疑了孤雌囊胚不能长期发育的观点。Clarke 写道,“在该研究中,研究人员在孤雌胚胎中加入了父系基因组,使之具备了长期发育的能力,因此哺乳动物胚胎必须由精子和卵子受精而形成的观点被颠覆了。”

Clarke指出,在减数分裂中期II(ICSI胚胎组的注射精子时间)和第一次细胞分裂中期(phICSI胚胎组的精子注射时间),核膜破裂,核中的蛋白质如组蛋白溢出并被细胞利用,这些蛋白质对精子的重组是有必要的。他说,“精子在减数分裂中期使用这些蛋白,这属于正常的使用时间,但它还在有丝分裂中期使用这些蛋白,这也是这项研究的创新之处。”

Perry说,“这是首次通过向胚胎注射精子实现了足月发育。也许有一天我们可以利用其它类型的细胞来创建胚胎,例如体细胞、皮肤细胞等。”对于未来,研究人员打算进一步调查精子重编程的机制,并确定其在卵母细胞和孤雌胚胎进行有丝分裂时是否会有差异。

参考资料:

Study: Mitotic Cells Can Reprogram Mouse Sperm

The babies with no mothers: Scientists discover how to make embryos from skin cells instead of eggs, making women redundant

Scientists make embryos from non-egg cells