让睾丸产生另一个父亲的精子:“喜当爹”技术可繁育更优良的后代

华盛顿大学生殖生物学家 Jon Oatley 在给一头山羊“代父”喂食。图片来源:Bob Hubner, Washington State University

华盛顿大学生殖生物学家 Jon Oatley 在给一头山羊“代父”喂食。图片来源:Bob Hubner, Washington State University

科学家们首次将猪、羊及牛成功改造成“代理父亲”,这些动物产生的精子不携带自己的基因,而只携带供体动物的遗传信息。这项技术突破 9 月 14 日发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)。

来自华盛顿州立大学的生殖生物学家 Jon Oatley 带领的研究团队借助基因编辑技术 CRISPR-Cas9,去除“代父”(surrogate sires)胚胎中负责雄性生育能力的基因片段。这些代父在出生后表现出了不育性状,而在研究团队对其睾丸进行干细胞移植后,它们开始产生精子。检测发现,代父产生的精子中仅表现出了干细胞捐赠生物的基因性状。该研究中的基因编辑技术针对的是诸如不育在内的物种自然缺陷。

该研究历时 6 年,由来自华盛顿州立大学、犹他州立大学、马里兰大学及英国爱丁堡大学的罗斯林研究所(Roslin Institute)的研究者合作完成。研究团队使用 CRISPR-Cas9 培育出缺失 NANOS2 基因的小鼠、猪、山羊及牛。NANOS2 与雄性生育能力有关,缺少该基因的雄性动物能够健康生长,但会表现出不育性状。因此,植入了来自其他动物的精原细胞(即产生精子的干细胞)后,这些生物开始生产源于供体细胞的精子。

研究证实,这样的代父能够生产活性供体精子。由小鼠代父提供精子产下的后代携带供体小鼠的基因。其他大型动物还没有完成繁育。Oatley 实验室正在为下一步的研究改良干细胞移植程序。

该技术将有助于提升培育具备优良性状牲畜的速度,提高食物生产的水平,使之适应日益增长的世界人口。此外,通过这项技术,偏远地区的育种人员能更轻松地获得其他地区优良种群的基因材料;该技术还有助于对难以进行人工授精的生物(如山羊)进行精确培育。Oatley 表示:“通过这项技术,我们能更好地培育出具有优良特征的家畜,从而提高食物生产效率。这可能对解决全球食物安全问题产生巨大影响。从基因层面改进配种问题可能意味着,今后的家畜养殖可能消耗更少的水、食物以及抗生素。”

来自罗斯林研究所的 Bruce Whitelaw 教授认为,这项研究很好地完成了概念验证:“本研究向世界证明,这项技术是真实、有用的。我们的下一个目标是探究如何更好地利用这项技术,来满足日益增长的世界人口对食物的需求。”

畜牧业研究的最新进展

长期以来,科学家们都在探寻培育“代父”的新方法。这是由于畜牧业使用的传统技术,如选育及人工授精,都要求物种之间比较接近,或严格管控生长周期,并且在许多情况下同时受到这两个因素的限制。

人工授精技术在奶牛养殖中较为常见,这是由于对奶牛一般采用圈养,因此它们的繁殖行为相对易于控制。但对于需要游荡吃草的肉牛而言,这种方法的应用难度就很大。对于猪来说,该技术的难度在于猪的精子无法长时间保持活性,进行人工授精需要保证受体猪在较近的范围内。在山羊身上进行人工授精更有难度,授精时需要对山羊进行手术。

“代父“技术通过自然繁育的方式解决了上述难题。农场主和牧民不需要限制牲畜的自然活动,供体动物与“代父”也不需要被带到同一地点 ,因为可以将冷冻的供体精子或代父动物运输到不同地方。此外,NANOS2 缺失的雌性动物依旧能够生育——该基因仅仅对雄性生育能力造成影响,而产下的NANOS2 缺失雄性动物可以成为新的“代父”。

被改造为“代父”的牛。图片来源:Bob Hubner, Washington State University

被改造为“代父”的牛。图片来源:Bob Hubner, Washington State University

来自犹他州立大学的 Irina Polejaeva 表示,由于很多地区的牧民还依赖着选择育种来提升牲畜性状,该技术的利用可能促进发展中国家加快食物产量的提升。“山羊依旧是许多发展中国家首要的蛋白质来源,“ Polejaeva 表示,”这项技术能加速山羊优良性状的繁育,比如抗病性、抗高温性或更好的肉质表现。“

“代父”技术还为濒危物种的遗传信息保护提供了一条新路径。种群数量的下降往往带来群落之间的地理隔离,这限制了种群内部的基因多样性。

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推广应用仍然受限

然而,倘若如今政府的管控以及公众的看法不发生改变,上述所有代父技术的好处都无法实现。

尽管技术上已经足够成熟,有待商用,目前全球的法律制度都不允许基因编辑代父技术的应用,即便代父的后代不会受到基因编辑。Oatley 认为,这种现状部分源自公众的错误理解,即将基因编辑等同于富有争议的转基因技术。基因编辑意味着对单一物种的自然性状进行改变,不是说将不同物种的 DNA 结合起来。

Oatley 也意识到,为了这项技术的顺利推广,他还需要完成许多实验室之外的工作。他最近加入了美国家畜基因编辑全国工作小组(National Task Force on Gene Editing in Livestock),这个组织聚集了研究人员、产业界代表、生物伦理学家及政策制定者,旨在推动这项技术的实施。

“即使科学上已经完全成熟,这种方法在世界上任何一个地方被应用于家畜繁育的速度仍然受到社会接受程度和政策的影响”,Oatley 表示。“通过与政策制定者和公众合作,我们能够向公众提供更多信息,证明这项技术并不会带来与其他方法类似的风险。”

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