一項最新研究先通過基因編輯使動物不育，再對其進行精原細胞移植，使它們產(chǎn)生的精子只攜帶供體動物的優(yōu)良基因。這項技術(shù)如果能夠投入應(yīng)用，將對畜牧業(yè)帶來極大的幫助。
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”，這些動物產(chǎn)生的精子不攜帶自己的基因，而只攜帶供體動物的遺傳信息。這項技術(shù)突破 9 月 14 日發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。
來自華盛頓州立大學(xué)的生殖生物學(xué)家 Jon?Oatley 帶領(lǐng)的研究團隊借助基因編輯技術(shù) CRISPR-Cas9，去除“代父”（surrogate sires）胚胎中負責(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，而在研究團隊對其睪丸進行干細胞移植后，它們開始產(chǎn)生精子。檢測發(fā)現(xiàn)，代父產(chǎn)生的精子中僅表現(xiàn)出了干細胞捐贈生物的基因性狀。該研究中的基因編輯技術(shù)針對的是諸如不育在內(nèi)的物種自然缺陷。
該研究歷時 6 年，由來自華盛頓州立大學(xué)、猶他州立大學(xué)、馬里蘭大學(xué)及英國愛丁堡大學(xué)的羅斯林研究所（Roslin Institute）的研究者合作完成。研究團隊使用 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物能夠健康生長，但會表現(xiàn)出不育性狀。因此，植入了來自其他動物的精原細胞（即產(chǎn)生精子的干細胞）后，這些生物開始生產(chǎn)源于供體細胞的精子。
研究證實，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。其他大型動物還沒有完成繁育。Oatley 實驗室正在為下一步的研究改良干細胞移植程序。
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)日益增長的世界人口。此外，通過這項技術(shù)，偏遠地區(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)還有助于對難以進行人工授精的生物（如山羊）進行精確培育。Oatley 表示：“通過這項技術(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。這可能對解決全球食物安全問題產(chǎn)生巨大影響。從基因?qū)用娓倪M配種問題可能意味著，今后的家畜養(yǎng)殖可能消耗更少的水、食物以及抗生素?！?/p>
來自羅斯林研究所的 Bruce Whitelaw 教授認為，這項研究很好地完成了概念驗證：“本研究向世界證明，這項技術(shù)是真實、有用的。我們的下一個目標是探究如何更好地利用這項技術(shù)，來滿足日益增長的世界人口對食物的需求。”
畜牧業(yè)研究的最新進展
長期以來，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，或嚴格管控生長周期，并且在許多情況下同時受到這兩個因素的限制。
人工授精技術(shù)在奶牛養(yǎng)殖中較為常見，這是由于對奶牛一般采用圈養(yǎng)，因此它們的繁殖行為相對易于控制。但對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。對于豬來說，該技術(shù)的難度在于豬的精子無法長時間保持活性，進行人工授精需要保證受體豬在較近的范圍內(nèi)。在山羊身上進行人工授精更有難度，授精時需要對山羊進行手術(shù)。
“代父“技術(shù)通過自然繁育的方式解決了上述難題。農(nóng)場主和牧民不需要限制牲畜的自然活動，供體動物與“代父”也不需要被帶到同一地點 ，因為可以將冷凍的供體精子或代父動物運輸?shù)讲煌胤?。此外，NANOS2?缺失的雌性動物依舊能夠生育——該基因僅僅對雄性生育能力造成影響，而產(chǎn)下的?NANOS2?缺失雄性動物可以成為新的“代父”。
被改造為“代父”的牛。
來自猶他州立大學(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提升牲畜性狀，該技術(shù)的利用可能促進發(fā)展中國家加快食物產(chǎn)量的提升?！吧窖蛞琅f是許多發(fā)展中國家首要的蛋白質(zhì)來源，“ Polejaeva 表示，”這項技術(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提供了一條新路徑。種群數(shù)量的下降往往帶來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)的好處都無法實現(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受到基因編輯。Oatley 認為，這種現(xiàn)狀部分源自公眾的錯誤理解，即將基因編輯等同于富有爭議的轉(zhuǎn)基因技術(shù)?；蚓庉嬕馕吨鴮我晃锓N的自然性狀進行改變，不是說將不同物種的 DNA 結(jié)合起來。
Oatley 也意識到，為了這項技術(shù)的順利推廣，他還需要完成許多實驗室之外的工作。他最近加入了美國家畜基因編輯全國工作小組（National Task Force on Gene Editing in Livestock），這個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，旨在推動這項技術(shù)的實施。
“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地方被應(yīng)用于家畜繁育的速度仍然受到社會接受程度和政策的影響”，Oatley 表示?！巴ㄟ^與政策制定者和公眾合作，我們能夠向公眾提供更多信息，證明這項技術(shù)并不會帶來與其他方法類似的風(fēng)險。”
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
參考來源：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/wsu-gl090920.php
