兩個父親生產子代：突破自然規則尋找銘印基因的真相

在哺乳動物的世界裡，要讓兩個父方基因組結合誕生一個後代，看似是科幻故事般的挑戰，因為哺乳類的胚胎發育深刻依賴基因銘印（genomic imprinting），而什麼是基因銘印呢？這是哺乳類特有的表觀遺傳機制，會在卵子、精子形成時建立與決定哪些基因需要進行甲基化（methylation）、組蛋白修飾（histone modifications）或非編碼 RNA 調控等，使特定基因沉默，讓胚胎發育中強制指定特定基因只能在母方或父方的染色體上表達，而另一方的染色體上該基因就會沉默不執行功能。比如多數哺乳類只有來自父親的第二型類胰島素生長因子（IGF-2）基因或者只有來自母親的長鏈非編碼 RNA 的 H19 基因等，才會在後代身上表達，但母方的 IGF-2 基因或父方的 H19 基因會沉默，顯現出父方與母方之間互補或競爭的演化結果，而且這種啟動或沉默的狀態會一路維持到後代個體死亡。

銘印現象與哺乳類的胎盤、早期發育、腦部形成與後期生理都有重要關聯。有趣的是，父系表達基因往往是促進胎兒生長、增加營養輸送等功能；而母系表達基因則多是抑制胎兒過度生長或保護母體。過去的小鼠研究認為，只靠兩套父方基因組的胚胎通常會出現嚴重發育異常，例如胎兒過度生長、器官肥大、呼吸困難、腦部與臉部畸形，最終無法存活。該如何突破這個限制，曾被視為跨不過的門檻。但這次的研究透過直接刪除大量銘印基因，成功讓雙親皆為父方的小鼠（bi-paternal mice）活到成年，並清楚證明阻礙哺乳動物單性繁殖的核心障礙，正是銘印基因本身。

為何刪除這些銘印基因就能改善後代小鼠的發育問題？因為父系表達基因在雙父小鼠細胞內的表達量可能會是正常小鼠的兩倍，而這些基因過高的表達量是造成胚胎畸形的主因。因此透過刪除一方染色體上的這些銘印區就能減少這類問題。特別強調的事，實驗中皆不額外將母系表達基因放入後代小鼠，僅做父源染色體的修改。

一開始研究者使用一隻雄性小鼠的精子注入去核卵母細胞中形成單倍體胚胎幹細胞（haploid androgenetic ESCs），依序利用 CRISPR/Cas9 刪除多個發育關鍵的銘印區，再把該細胞的細胞核與另一隻雄性小鼠的精子共同注入另一個無核卵母細胞，使這些細胞形成為帶有兩套父系基因組的胚胎。第一次實驗只刪除 7 個銘印區的小鼠雖然成功誕生，但有水腫、巨舌、臍疝、呼吸受阻等重度問題，完全無法存活。隨後進一步增加基因刪除的數量到 10 個、18 個後，異常逐漸減少。特別是刪除 18 個銘印區的小鼠，出生時呼吸狀況明顯改善，內臟器官大小也接近正常。可是牠們仍無法有效吸吮乳汁，只能靠人工餵食讓少數個體挺過幼年。

銘印區編輯小鼠的流程圖（圖片來源：Li ZK et al. (2025)，採用 CC BY 4.0 授權）

造成這些小鼠無法吸奶的原因，發現與 Nnat/Blcap 銘印區的異常有關。Nnat 基因表達的蛋白質 neuronatin 主要作用在神經組織、腦部發育、胚胎期細胞分化等，自然與吸吮反射有所關聯，在大多物種屬父系表達；Blcap 則參與細胞凋亡的過程，抑制細胞增生，它不算是銘印基因，但當 Nnat 基因啟動表達時，Blcap 會受到間接壓制，因此 Blcap 只能在母源染色體上正常表達。

以 Nnat 基因為例，該基因只有在父源染色體上才會表達，母源則不會。雙父會造成表達過量，如果透過刪除使其中一個等位基因消失，就可以改善（水也佑繪）

一旦刪除了 Nnat/Blcap 銘印區（實驗中第19 個刪除的銘印區），小鼠的臉部比例、眼瞼開合、腦部組織、吸吮行為終於全面改善。這些小鼠不但能自然喝奶、正常生長，也能展現活潑的行為與穩定體重。即使外觀接近正常，仍呈現獨特的特徵，例如牠們較喜歡探索開放空間，也呈現較低的焦慮反應。這些行為差異與牠們顯著縮小的海馬迴體積有關，而這部分也能從基因表達下降的 NMDA 受體訊號途徑、GABAergic 神經分化及恐懼反應相關基因得到支持。

但刪除這 19 個銘印區還是在胎盤形成這階段卡關，其胎盤嚴重異常、萎縮、血管不足，因為小鼠的胎盤高度依賴母方銘印基因，所以缺乏母系基因組的雙父胚胎無法發育到出生。前面描述能正常出生與生長是因為運用到四倍體互補（tetraploid complementation）技術，藉由人工協助生成胎盤才順利讓小鼠出生。

研究者之後找到影響胎盤生成的關鍵區域，Sfmbt2 基因與其第一內含子（intron）的 72 個 microRNA。這些 microRNA 在刪除 19 個銘印區的小鼠胚胎中仍異常過度表達，而這些 RNA 已知與胎盤結構、血流、養分交換有關。於是他們又將整個 Sfmbt2 基因區域刪除，使胎盤大小增加、血管密度提高、結構完整性改善，這次的小鼠（被稱為 20KO）胚胎能順利發育，且剖腹產後能獲得健康的雙父後代。這是完整補足從受精一直到出生的最後關鍵缺口。

為了確認這些修正是否真正恢復基因表達的正常性，透過分析刪除了 20 個基因區域的成鼠各器官的 RNA 表達量，顯示與正常小鼠的相似度極高，而先前異常的銘印基因，包括 Nnat、Peg10、Kcnk9 等，也完全回到穩定模式。說明這 20 個特定區域的刪除，足以讓整體銘印恢復到類似自然狀態的平衡。

令人驚訝的部分在，將這些 20KO 小鼠的體細胞執行動物複製，產生複製鼠的成功率顯著高於正常小鼠的體細胞。暗示過去複製動物高死亡率的一個重要因素，正是銘印異常所造成，20KO 個體因已經預先修正大量銘印問題，反而能提升複製效率。

最後研究者也嘗試讓雙父雄鼠與雙父雌鼠相互繁殖，但最終並未成功。意思是即使突破銘印障礙，哺乳類天然的生殖流程仍高度依賴雌性基因組、生殖細胞與其獨特的細胞質環境，不會因為基因修正成功就完全顛覆自然界長久的性別分工。

研究概要。上方為銘印區編輯小鼠的流程圖，下方則是不同數量銘印區刪除所產生的個別情況（圖片來源：Li ZK et al. (2025)，採用 CC BY 4.0 授權）

這項研究最深遠的意義不在於製造雙父後代，而是揭示銘印基因在哺乳類生命史中的基礎性角色。從胚胎大小、胎盤發育、器官比例，到行為、代謝甚至壽命，銘印基因像是平衡器，調控著父母基因的角力。理論上父系表達的基因傾向促進生長，而母系表達的基因則偏向抑制，這種「親代衝突理論」在這些雙父小鼠的表現中完全應驗。早期版本的小鼠有過度生長與致命性器官肥大的情況，修正越多銘印區後，這種偏向才隨之解除。此外，研究亦指出父母來源的銘印基因可能影響壽命，雙父小鼠壽命較短，而過去研究的雙母小鼠壽命較長，故銘印對後期生理的影響比想像更深遠。

這是一項發育生物學的一大突破，也讓我們重新思考生命是如何在父母基因的互動下被塑造。這套策略或許能提供多項未來醫療的可能性。例如 Nnat-Blcap 區域修正後，小鼠的臉部畸形與吸吮缺陷完全消失，為人類相關疾病提供潛在線索。此外，能建立完整功能的雙父胎盤，也代表透過調整銘印基因，有機會改善動物複製、人工生殖等技術。

作者：水也佑

參考文獻：

Li ZK et al. (2025). Adult bi-paternal offspring generated through direct modification of imprinted genes in mammals. Cell Stem Cell.

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