一項(xiàng)最新研究先通過(guò)基因編輯使動(dòng)物不育，再對(duì)其進(jìn)行精原細(xì)胞移植，使它們產(chǎn)生的精子只攜帶供體動(dòng)物的優(yōu)良基因。這項(xiàng)技術(shù)如果能夠投入應(yīng)用，將對(duì)畜牧業(yè)帶來(lái)極大的幫助。
華盛頓大學(xué)生殖生物學(xué)家 Jon Oatley 在給一頭山羊“代父”喂食。圖片來(lái)源：Bob Hubner, Washington State University
科學(xué)家們首次將豬、羊及牛成功改造成“代理父親”，這些動(dòng)物產(chǎn)生的精子不攜帶自己的基因，而只攜帶供體動(dòng)物的遺傳信息。這項(xiàng)技術(shù)突破 9 月 14 日發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。
來(lái)自華盛頓州立大學(xué)的生殖生物學(xué)家 Jon?Oatley 帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)借助基因編輯技術(shù) CRISPR-Cas9，去除“代父”（surrogate sires）胚胎中負(fù)責(zé)雄性生育能力的基因片段。這些代父在出生后表現(xiàn)出了不育性狀，而在研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其睪丸進(jìn)行干細(xì)胞移植后，它們開(kāi)始產(chǎn)生精子。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，代父產(chǎn)生的精子中僅表現(xiàn)出了干細(xì)胞捐贈(zèng)生物的基因性狀。該研究中的基因編輯技術(shù)針對(duì)的是諸如不育在內(nèi)的物種自然缺陷。
該研究歷時(shí) 6 年，由來(lái)自華盛頓州立大學(xué)、猶他州立大學(xué)、馬里蘭大學(xué)及英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的羅斯林研究所（Roslin Institute）的研究者合作完成。研究團(tuán)隊(duì)使用 CRISPR-Cas9 培育出缺失?NANOS2?基因的小鼠、豬、山羊及牛。NANOS2?與雄性生育能力有關(guān)，缺少該基因的雄性動(dòng)物能夠健康生長(zhǎng)，但會(huì)表現(xiàn)出不育性狀。因此，植入了來(lái)自其他動(dòng)物的精原細(xì)胞（即產(chǎn)生精子的干細(xì)胞）后，這些生物開(kāi)始生產(chǎn)源于供體細(xì)胞的精子。
研究證實(shí)，這樣的代父能夠生產(chǎn)活性供體精子。由小鼠代父提供精子產(chǎn)下的后代攜帶供體小鼠的基因。其他大型動(dòng)物還沒(méi)有完成繁育。Oatley 實(shí)驗(yàn)室正在為下一步的研究改良干細(xì)胞移植程序。
該技術(shù)將有助于提升培育具備優(yōu)良性狀牲畜的速度，提高食物生產(chǎn)的水平，使之適應(yīng)日益增長(zhǎng)的世界人口。此外，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，偏遠(yuǎn)地區(qū)的育種人員能更輕松地獲得其他地區(qū)優(yōu)良種群的基因材料；該技術(shù)還有助于對(duì)難以進(jìn)行人工授精的生物（如山羊）進(jìn)行精確培育。Oatley 表示：“通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，我們能更好地培育出具有優(yōu)良特征的家畜，從而提高食物生產(chǎn)效率。這可能對(duì)解決全球食物安全問(wèn)題產(chǎn)生巨大影響。從基因?qū)用娓倪M(jìn)配種問(wèn)題可能意味著，今后的家畜養(yǎng)殖可能消耗更少的水、食物以及抗生素?！?/p>
來(lái)自羅斯林研究所的 Bruce Whitelaw 教授認(rèn)為，這項(xiàng)研究很好地完成了概念驗(yàn)證：“本研究向世界證明，這項(xiàng)技術(shù)是真實(shí)、有用的。我們的下一個(gè)目標(biāo)是探究如何更好地利用這項(xiàng)技術(shù)，來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的世界人口對(duì)食物的需求。”
畜牧業(yè)研究的最新進(jìn)展
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們都在探尋培育“代父”的新方法。這是由于畜牧業(yè)使用的傳統(tǒng)技術(shù)，如選育及人工授精，都要求物種之間比較接近，或嚴(yán)格管控生長(zhǎng)周期，并且在許多情況下同時(shí)受到這兩個(gè)因素的限制。
人工授精技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖中較為常見(jiàn)，這是由于對(duì)奶牛一般采用圈養(yǎng)，因此它們的繁殖行為相對(duì)易于控制。但對(duì)于需要游蕩吃草的肉牛而言，這種方法的應(yīng)用難度就很大。對(duì)于豬來(lái)說(shuō)，該技術(shù)的難度在于豬的精子無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持活性，進(jìn)行人工授精需要保證受體豬在較近的范圍內(nèi)。在山羊身上進(jìn)行人工授精更有難度，授精時(shí)需要對(duì)山羊進(jìn)行手術(shù)。
“代父“技術(shù)通過(guò)自然繁育的方式解決了上述難題。農(nóng)場(chǎng)主和牧民不需要限制牲畜的自然活動(dòng)，供體動(dòng)物與“代父”也不需要被帶到同一地點(diǎn) ，因?yàn)榭梢詫⒗鋬龅墓w精子或代父動(dòng)物運(yùn)輸?shù)讲煌胤?。此外，NANOS2?缺失的雌性動(dòng)物依舊能夠生育——該基因僅僅對(duì)雄性生育能力造成影響，而產(chǎn)下的?NANOS2?缺失雄性動(dòng)物可以成為新的“代父”。
被改造為“代父”的牛。
來(lái)自猶他州立大學(xué)的 Irina Polejaeva 表示，由于很多地區(qū)的牧民還依賴著選擇育種來(lái)提升牲畜性狀，該技術(shù)的利用可能促進(jìn)發(fā)展中國(guó)家加快食物產(chǎn)量的提升?！吧窖蛞琅f是許多發(fā)展中國(guó)家首要的蛋白質(zhì)來(lái)源，“ Polejaeva 表示，”這項(xiàng)技術(shù)能加速山羊優(yōu)良性狀的繁育，比如抗病性、抗高溫性或更好的肉質(zhì)表現(xiàn)?！?/p>
“代父”技術(shù)還為瀕危物種的遺傳信息保護(hù)提供了一條新路徑。種群數(shù)量的下降往往帶來(lái)群落之間的地理隔離，這限制了種群內(nèi)部的基因多樣性。
推廣應(yīng)用仍然受限
然而，倘若如今政府的管控以及公眾的看法不發(fā)生改變，上述所有代父技術(shù)的好處都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
盡管技術(shù)上已經(jīng)足夠成熟，有待商用，目前全球的法律制度都不允許基因編輯代父技術(shù)的應(yīng)用，即便代父的后代不會(huì)受到基因編輯。Oatley 認(rèn)為，這種現(xiàn)狀部分源自公眾的錯(cuò)誤理解，即將基因編輯等同于富有爭(zhēng)議的轉(zhuǎn)基因技術(shù)?；蚓庉嬕馕吨鴮?duì)單一物種的自然性狀進(jìn)行改變，不是說(shuō)將不同物種的 DNA 結(jié)合起來(lái)。
Oatley 也意識(shí)到，為了這項(xiàng)技術(shù)的順利推廣，他還需要完成許多實(shí)驗(yàn)室之外的工作。他最近加入了美國(guó)家畜基因編輯全國(guó)工作小組（National Task Force on Gene Editing in Livestock），這個(gè)組織聚集了研究人員、產(chǎn)業(yè)界代表、生物倫理學(xué)家及政策制定者，旨在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施。
“即使科學(xué)上已經(jīng)完全成熟，這種方法在世界上任何一個(gè)地方被應(yīng)用于家畜繁育的速度仍然受到社會(huì)接受程度和政策的影響”，Oatley 表示?！巴ㄟ^(guò)與政策制定者和公眾合作，我們能夠向公眾提供更多信息，證明這項(xiàng)技術(shù)并不會(huì)帶來(lái)與其他方法類似的風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>
論文信息：
Michela Ciccarelli el al., “Donor-derived spermatogenesis following stem cell transplantation in sterile NANOS2 knockout males,”?PNAS?(2020).
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2010102117
參考來(lái)源：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/wsu-gl090920.php
