十八年前，一只没有父亲的小羊羔“多莉”让全世界陷入了疯狂。在此之后，多种不需要精子的生殖技术便如雨后春笋般陆续问世，以至于都有一些媒体宣称女人生育不再需要男人了[1]。然而，到了2012年，中科院发表了关于“小鼠孤雄单倍体胚胎干细胞系”的学术成果[2]却似乎又让广大男同胞们实现了一次华丽丽的逆袭——你说不需要男人了，我还“孤雄”了，不需要女人了呢。但实际上，孤雄单倍体胚胎干细胞到底是什么？这是否意味着，从此以后男男也可以产子了呢？
故事还得从很久以前说起。大部分动物都需要雌雄两性的结合才能繁殖后代，人也不例外——性，不但能给予浪漫的爱情，更可以防止基因的品质在传播过程中发生退化，使得优秀的基因一代代地传下去[3]。然而，自然界当中总有那么一些“异类”，它们不需要交配，不需要受精，就可以繁殖后代。对它们而言，只靠雌性就足以传宗接代了，科学家们把这种繁育方式称为“孤雌生殖”。
一只正在繁殖后代的蚜虫，大部分蚜虫都主要通过孤雌生殖产生。图片来源：wiki.answers.com
在孤雌生殖过程中，卵细胞（注：根据物种的不同，这里的“卵细胞”指的可能是卵子，也可能是次级卵母细胞，下文主要讨论哺乳动物，一概称为次级卵母细胞）采用一种称为“孤雌激活”的方式。使体内未受精的次级卵母细胞像已经受精了一样地发生卵裂，并最终发育成胚胎——在这样的过程中不需要精子。
最初，人们觉得孤雌激活是这些注定孤独一生的动物所特有的能力。高等的哺乳动物，断然不会这样吧？然而，在对小鼠胚胎发育的研究中，科学家发现极少数小鼠次级卵母细胞也会在没有受精的情况下自行卵裂，从而在小鼠卵巢中形成畸胎瘤[4]。这类发现揭示，哺乳动物的次级卵母细胞一样存在孤雌激活的现象，精子的存在感再一次受到了“打击”。
经过长时间的摸索，科学家们发现，借助于一些离子或小分子（比如乙醇、锶离子、环乙酰亚胺、某些酶等）、精子提取物或电刺激去模拟精子进入次级卵母细胞时释放的信号，就可以让其“误以为”自己已经受精，因而被激活并开始发育[5]。通过这种人工孤雌激活技术，科学家们就可以制作出孤雌胚胎干细胞。利用特殊的培养体系，这样的胚胎干细胞也可以像别的细胞一样被培养在培养皿中。
建立孤雌胚胎干细胞系的一般流程。图片来源：Wei Li et al. (2014) Cell Stem Cell 编译：鬼谷藏龙
一般而言，高等动物体细胞的基因组当中包含两套几乎一样的染色体组，因此这些个体都被称为二倍体。从2009年起，各地的研究组相继报道，利用人工孤雌激活所得到的胚胎干细胞，有时候会少掉一套染色体组[6]，因此，这样的孤雌胚胎干细胞是单倍体的——没有精子似乎都不算什么，这些结果意味着，仅仅依靠来源于卵子的一套染色体就足以维持胚胎干细胞的生存了。
养在培养皿里面的小鼠胚胎干细胞。图片来源：鬼谷藏龙
在这个男女平等的时代，胚胎干细胞既然可以只依靠卵子的一套染色体生存，精子的那一套染色体没道理不行啊。可是，“孤雄激活”较之“孤雌激活”更为复杂。次级卵母细胞当中包含了一个最基本的胚胎形成所需的一切物质条件，精子的功能只是启动她的“发育开关”并带入一套遗传物质而已。但雄性生殖细胞——精子，可没有这么好的先天条件，孤雄激活的细胞基础还得是卵子。
目前，“孤雄激活”有两种比较常见的实现方法，一种是先让一个次级卵母细胞正常受精：在受精后，来自精卵的染色质会各自被包装成一个类似细胞核的结构——原核，在两个原核形成但还没有接触的时候，设法去掉雌原核。这时，次级卵母细胞发育的“开关”已经被精子开启，而雌原核没了，受精卵的后续发育就只能依靠来自精子的遗传物质[7]。
通过去除雌原核建立孤雄胚胎干细胞系。图片来源：Wei Li et al. (2014) Cell Stem Cell 编译：鬼谷藏龙
另一种方法则是先去除次级卵母细胞的细胞核，然后直接将经过处理的精子注射到去核细胞中，然后再对这个“外雌内雄”的卵细胞进行孤雌激活[2]，本文开头所说的研究就是基于这个方法。显然，无论怎么进行“孤雄激活”，卵细胞的细胞质都还是必不可少的。
通过向去核卵细胞注入精子来建立孤雄胚胎干细胞系。图片来源：Hui Yang, et al. (2012) Cell，鬼谷藏龙编译
尽管我们已能够制备孤雄胚胎干细胞，但这距离能够产生正常后代的“孤雄生殖”还有很远的距离。当高等动物的胚胎发育到一段时期，来自父本和母本的同一个基因将发挥不同的作用，这种“印记基因”现象意味着，无论是“孤雌”还是“孤雄”的胚胎干细胞，发育到一定阶段就会异常、停滞并最终死亡[8]，并不能发育到出生。
不过，广大“腐女”们也不用太失望，科学家们已经证明，印记基因和一种叫做“DNA甲基化”的现象密切相关，只要对DNA做一些复杂的化学修饰，就可以消除“印记基因”的限制。或许真的会有那么一天，任意两个个体，无论其性别如何，都能产生后代呢。（编辑：Calo）
参考文献:
- http://news.xinhuanet.com/st/2002-01/11/content_233927.htm
- Yang, H., et al. (2012). Generation of genetically modified mice by oocyte injection of androgenetic haploid embryonic stem cells. Cell, 149(3), 605-617.
- http://songshuhui.net/archives/42077
- Colledge, W. H., Carlton, M. B. L., Udy, G. B., & Evans, M. J. (1994). Disruption of c-mos causes parthenogenetic development of unfertilized mouse eggs. Nature, 370(6484), 65-68.
- 邓守龙，王安江(2008) 哺乳动物卵母细胞孤雌激活的研究进展. 《黑龙江动物繁殖》第16卷 第3期
- Elling, U., et al. (2011). Forward and reverse genetics through derivation of haploid mouse embryonic stem cells. Cell Stem Cell, 9(6), 563-574.
- Li, W., et al. (2014). Genetic modification and screening in rat using haploid embryonic stem cells. Cell Stem Cell, 14(3), 404-414.
- Kaufman, M. H., BARTON, S. C., & SURANI, M. A. H. (1977). Normal postimplantation development of mouse parthenogenetic embryos to the forelimb bud stage.
文章题图：kepu.net.cn
（本文作者是来自中国科学院上海神经科学研究所的博士生，果壳网欢迎更多科研工作者为我们撰稿或者接受我们采访，热情的邀请函在此。）