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人类单性生殖有可能吗?
  发布日期:2011-05-06  |  来源:  |      

有性生殖(sexual reproduction)是大多数植物、动物包括人类长期进化过程中形成的生殖方式。通过有性生殖,来自父母双方的遗传物质发生重组。人类生殖需要父亲和母亲双方的遗传物质的结合,单性胚胎是不能发育成为后代的。然而,无性生殖(asexual reproduction)是许多低等动物正常繁殖现象。无性生殖是指亲体不通过性细胞(精子和卵子)的相互作用而产生后代的生殖方式,包括孤雌生殖和孤雄生殖。孤雌生殖又可分为两种类型,第一种是卵子经物理或化学的方法激活后,启动胚胎发育,由此发育而来的胚胎是一种纯孤雌胚。这种胚胎在整个发育过程没有任何雄性配子的参与。另一种是雌核发育(gynogenesis),精子正常地进入并激活了卵子,但精子的细胞核并没有参与胚胎的发育,来自精子的染色体很快消失,胚胎的发育仅在雌核的控制下进行。无性生殖过程中不发生来自父母双方遗传信息的重组,所以子代遗传物质基础和亲代完全相同。

自然条件下的无性生殖在低等的原生动物、无脊椎动物和低等脊椎动物中是十分常见的生理现象[1]。某些鱼类(如某些鲨鱼)和爬行类(如某些蜥蜴)正常情况下是通过孤雌生殖繁殖后代的。银鲫的成体都是雌性的,它们的卵子通过其他鱼的精子激活,而发生孤雌发育。大多数泥鳅都产生单倍体的卵子,受精后发育为后代,但有些雌性泥鳅产生双倍体卵子,精子可以进入卵子,但其遗传物质不参与发育,逐渐退化消失[2]。在人工辅助条件下,也可以诱导单性生殖。我国已故著名实验生物学家朱洗等在20世纪60年代,用针刺涂血的蟾蜍卵而获得一批孤雌生殖的小蟾蜍。经放射处理鱼类的卵子,使卵子遗传物质失活,受精后增加水压抑制卵子的第一次卵裂,恢复二倍性,孤雄生殖也能完成,胚胎可以发育为完全表现父本遗传性状的纯合个体。在脊椎动物,孤雄生殖也能被诱导发生。20世纪六、七十年代,我国生物学家童第周教授及其学生在鱼类的核移植研究上取得了举世注目的成就,他们成功地获得了发育正常的克隆鱼和异种克隆鱼[1]

哺乳动物自发的无性生殖主要是指孤雌生殖。孤雌生殖在哺乳动物中有少数成功的报道,都没有被重复出来。所以,一般认为,哺乳动物不能进行孤雌生殖。自发的孤雌胚在子宫内可以着床,而且至少也能发育到肢芽期,但最终发育失败。人工诱导的孤雌胚在母体的子宫内均可以着床,但只能发育到一定的阶段,而不能正常出生。例如,将孤雌激活的小鼠卵移入受体内,可以发育并着床,直到第11天;兔的孤雌激活胚在体内也可发育11天;绵羊的孤雌激活胚在妊娠21天时,有心脏跳动,但在25-26天死亡。猪的孤雌激活胚移植后,18%的胚胎可以发育到第29天,超越心跳期,至少发育到肢芽期[1,3]。应用显微操作方法直接将小鼠受精卵中的雄原核去除,然后抑制受精卵的第一次卵裂,这样就可以得到二倍体的雌核发育胚胎,经体外培养它们可以发育到囊胚期,也可以在子宫内着床,但不能发育到出生。哺乳动物孤雌发育胚在早期致死的原因可能是多方面的,其致死的真正原因目前尚不很清楚,但可能与基因印迹有关。利用自发的孤雌发育胚与正常受精的胚胎进行嵌合,胚胎移植后可以获得成活的嵌合体小鼠,说明孤雌发育胚来源的细胞可以嵌合到包括生殖细胞系在内的所有组织中。

那么人类未来是否可以在没有异性参与的情况下获得后代呢?正常生理条件下,人类生殖需要父母双亲生殖细胞的有性结合,因为雌性和雄性生殖细胞都建立了自己的特异性表观遗传修饰,使父母双方的等位印迹基因不对称表达,父本印迹阻止孤雌发育。但是最近的技术突破使单性生殖有了可能性。1997年,威Wilmut等获得体细胞克隆动物多莉羊。他们通过体细胞核移植的方法,把供体的细胞核移植到一个去核的未受精的卵细胞中,让这个重构卵在体外发育到一定阶段后,移植到代孕受体中,在没有雄性生殖细胞参与的情况下成功地获得后代[4]。2004年,日本科学家河野(Kono)等报道了基因来自两位“母亲”,而没有 “父亲”的小鼠的降生。在他们的实验中,经过遗传改造使一只母鼠的印迹基因的表达发生改变,用其早期卵子与一个来自未经改造母鼠的充分长大的卵子融合,实现卵子DNA的重组,继而以化学方式激活,结果成功培养出幼鼠并使其发育成具有生殖能力的成年鼠,实现了哺乳类的单性生殖,从而打破了哺乳类生殖必须依赖雌雄双方的遗传规律[5]。并且随着技术的改进,没有“父亲”的胚胎发育率与经体外受精获得的胚胎发育率没有差别[6]

上述两项最新研究成果似乎预示着人类单性生殖可能实现,然而至少在目前阶段,人类的无性生殖是不可行的,主要原因有两个。第一,目前克隆技术在医学上存在不安全性,如上所述,这种不安全性源于表观遗传修饰的问题,而对人类生殖细胞的相关基因进行改造是不被允许的。第二,人类的无性生殖涉及重要的伦理道德问题。目前,有许多克隆人胚胎的报道,但都是在体外的培养,尚没有确凿的证据表明胚胎被移植到母体中发育。然而,我们无法判断未来人类的价值取向。随着研究的进一步深入,无性生殖技术在未来可能会变得更加有效。未来的关键是充分了解以下问题:已经分化的体细胞在卵子中如何被重新程序化?关键控制因子是什么?如何大幅提高孤雌生殖效率?如何对生殖细胞(而不是在个体水平)进行印迹基因的修饰?随着社会的发展和时间的推移,人类对无性生殖的态度可能也会有所变化。例如,假设生殖性克隆和自然生殖的成功率一样的话,目前有34%的美国人可以有条件地接受人类生殖性克隆[2]。但从进化角度讲,在持续环境变化和竞争的条件下,与有性生殖比较,无性生殖总体上处于劣势。(动物所 / 孙青原)

参考文献:

1. 陈大元主编:受精机理与生殖工程,北京,科学出版社,2002:252-264。

2. Yanagimachi R. Germ cell research: a personal perspective. Biol Reprod,2009, 80:204-218.

3. Kure-bayashi S, Miyake M, Okada K, Kato S. Successful implantation of in vitro-matured, electro-activated oocytes in the pig. Theriogenology, 2000, 53:1105-1019.

4. Wilmut I, Schnieke AE, McWhir J, et al. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Nature, 1997, 385:810-813.

5. Kono T, Obata Y, Wu Q, et al. Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood. Nature, 2004, 428:860-864.

6. Kawahara M, Wu Q, Takahashi N, et al.High-frequency generation of viable mice from engineered bi-maternal embryos. Nat Biotechnol, 2007, 25:1045-1450.

【来源:《10000个科学难题——生物学卷》P218-220。】

【本文为动物所科研人员原创文字;本文不得转载,不得用于商业用途!】
 

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