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克隆技术

克隆是英文“clone”的音译,在台湾与港澳一般意译为复制或转殖,是利用生物技术由无性生殖产生与原个体有完全相同基因组织后代的过程。科学家把人工遗传操作动物繁殖的过程叫克隆,这门生物技术叫克隆技术,含义是无性繁殖。克隆技术在现代生物学中被称为“生物放大技术”。

克隆技术,是由同一个祖先细胞分裂繁殖而形成的纯细胞系,该细胞系中每个细胞的基因彼此相同。克隆的英文“clone”源于希腊语的“klōn”(嫩枝)。1963 年J.B.S.Haldane在题为“人类种族在未来二万年的生物可能性”的演讲上采用“克隆(Clone)”的术语。

在园艺学中,“clon”一词一直沿用到20世纪。后来有时在词尾加上“e”成为“clone”,以表明“o”的发音是长元音。随着这个概念及单字在大众生活中广泛使用,拼法已经局限使用“clone”。该词的中文译名在中国大陆音译为“克隆”,而在港台则多意译为“转殖”或“复制”。前者“克隆”如同copy的音译“拷贝”,有不能望文生义的缺点;而后者“复制”虽能大概表达clone的意义,却有不能精确并易生误解之憾。

克隆是英文"clone"或"cloning"的音译,而英文"clone"则起源于希腊文"Klone",原意是指以幼苗或嫩枝插条,以无性繁殖或营养繁殖的方式培育植物,如扦插和嫁接。在大陆译为“无性繁殖”在台湾与港澳一般意译为复制或转殖或群殖。

中文也有更加确切的词表达克隆,“无性繁殖”、“无性系化”以及“纯系化”。克隆是指生物体通过体细胞进行的无性繁殖,以及由无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群。通常是利用生物技术由无性生殖产生与原个体有完全相同基因组织后代的过程。

无性生殖是指未经两性生殖细胞结合的生殖方式或者自然的无性生殖方式(如植物)。一个克隆就是一个多细胞生物在遗传上与另外一个生物完全一样。克隆可以是自然克隆,例如由于偶然的原因产生两个遗传上完全一样的个体(像同卵双生一样,但同卵双生人的基因有时有微妙的不同)。不过我们通常所说的克隆是指通过有意识的设计来产生的完全一样的复制(如人工克隆)。两者有微妙的不同之处。

克隆技术,经历了三个发展时期:第一个时期是微生物克隆,即用一个细菌很快复制出成千上万个和它一模一样的细菌,而变成一个细菌群;第二个时期是生物技术克隆,比如用遗传基因——DNA克隆;第三个时期是动物克隆,即由一个细胞克隆成一个动物。克隆绵羊“多莉”由一头母羊的体细胞克隆而来,使用的便是动物克隆技术。

2013年,日本理化研究所的科学家借助用克隆动物培育克隆动物的“再克隆”技术,成功地用一只实验鼠培育出了26代共598只实验鼠,而且克隆的实验鼠很健康,繁殖能力和寿命与一般实验鼠也没有区别。研究人员认为,这说明再克隆可以无限持续下去。该研究作为封面故事发表在了3月7日的《细胞-干细胞》(Cell Stem Cell)杂志网络版上。克隆技术面临的一大课题是克隆动物生育率低下,繁殖代数越多,生育率越低。迄今为止,实验鼠繁殖6代、牛繁殖两代就达到了极限。一旦提供可供克隆的细胞的动物死亡,遗传信息就会断绝。

理化研究所研究员若山照彦率领的研究小组2005年曾发现,在培育克隆实验鼠的时候,将移植了细胞核的卵细胞浸入一种名为“曲古抑菌素A”的“组蛋白去乙酰化酶抑制剂”中,生育率就会提高。研究小组不断改良技术,成功培育了26代实验鼠,且生育率最高达到约15-。

美国俄勒冈卫生与科学大学的一个研究小组15日在美国科学期刊《细胞》网络版上发表文章,宣布已使用“体细胞克隆技术”,向卵细胞内植入他人皮肤细胞的细胞核,首次成功制造了能够分化成各种组织的胚胎干细胞。

在生物学上,克隆通常用在两个方面:克隆一个基因或是克隆一个物种。克隆一个基因是指从一个个体中获取一段基因(例如通过PCR的方法),然后将其插入。另外在动物界也有无性繁殖,不过多见于非脊椎动物,如原生动物的分裂繁殖、尾索类动物的出芽生殖等。但对于高级动物,在自然条件下,一般只 能进行有性繁殖,所以要使其进行无性繁殖,科学家必须经过一系列复杂的操作程序。在20世纪50年代,科学家成功地无性繁殖出一种两栖动物非洲爪蟾,揭开了细胞生物学的新篇章。

英国和我国等国在80年代后期先后利用胚胎细胞作为供体,“克隆”出了哺乳动物。到90年代中期,我国已用此种方法“克隆”了老鼠、兔子、山羊、牛、猪5种哺乳动物。

1996年7月5日克隆出一只基因结构与供体完全相同的小羊“多利”(Dolly),世界舆论为之哗然。“多利”的特别之处在于它的生命的诞生没有精子的参与。研究人员先将一个绵羊卵细胞中的遗传物质吸出去,使其变成空壳,然后从一只6岁的母羊身上取出一个乳腺细胞,将其中的遗传物质注入卵细胞空壳中。这样就得到了一个含有新的遗传物质但却没有受过精的卵细胞。这一经过改造的卵细胞分裂、增殖形成胚胎,再被植入另一只母羊子宫内,随着母羊的成功分娩,“多利”来到了世界。

但为什么其它克隆动物并未在世界上产生这样大的影响呢?这是因为其他克隆动物的遗传基因来自胚胎,且都是用胚胎细胞进行的核移植,不能严格地说是“无性繁殖”。另一原因,胚胎细胞本身是通过有性繁殖的,其细胞核中的基因组一半来自父本,一半来自母本。

而“多利”的基因组,全都来自单亲,这才是真正的无性繁殖。因此,从严格的意义上说,“多利”是世界上第一个真正克隆出来的哺乳动物。其特点就在于它与为它提供遗传物质的供97年2月23日,英国苏格兰罗斯林研究所的科学家宣布,他们的研究小组利用山羊的体细胞成功地克隆了山羊,克隆技术是科学发展的结果,它有着极其广泛的应用前景。

在园艺业和畜牧业中,克隆技术是选育遗传性质稳定的品种的理想手段,通过它可以培育出优质的果树和良种家畜。在医学领域,目前美国、瑞士等国家已能利用“克隆”技术培植人体皮肤进行植皮手术。这一新成就避免了异体植可能出现的排异反应,给病人带来了福音。

据中国新华社1997年4月4日报道,上海市第九人员医院整形外科专家曹谊林在世界上首次采用体外细胞繁殖的方法,成功地在白鼠上复制出人耳,为人体缺失器官的修复和重建带来希望。克隆技术还可用来大量繁殖许多有价值的基因,如治疗糖尿病的胰岛素、有希望使侏儒症患者重新长高的生长激素和能抗多种疾病感染的干扰素等等。

克隆是人类在生物科学领域取得的一项重大技术突破,反映了细胞核分化技术、细胞培养和控制技术的进步。 原是英文clone的音译,意为生物体通过细胞进行的无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群,简称为“无性繁殖”。 动物克隆技术的重大突破,也带来了广泛的争议。

绵羊:1997年,多利(Dolly)

猕猴:2000年1月,Tetra雌性

猪:2000年3月,5只苏格兰PPL小猪;8月,Xena,雌性

:2001年,Alpha和Beta,雄性

猫:2001年底,CopyCat(CC),雌性

鼠:2002年

:2003年3-4月分别在法国和朝鲜独立地实现;

骡:2003年5月,爱达荷Gem,雄性;6月,犹他先锋,雄性

鹿:2003年,Dewey

:2003年,Prometea,雌性;意大利科学家

:2005年,韩国首尔大学实验队,史努比(Snoopy)

猪:2005年8月8日,中国第一头供体细胞克隆猪

“克隆”一词于1903年被引入园艺学,以后逐渐应用于植物学、动物学和医学等方面。广泛意义上的“克隆”其实是我们的日常生活中经常遇到,只是没叫它“克隆”而已。 在自然界,有不少植物具有先天的克隆本能,如番薯、马铃薯、玫瑰等的插枝繁殖的植物。而动物的克隆技术,则经历了由胚胎细胞到体细胞的发展过程。

多莉与那头6岁母羊具有完全相同的基因,可谓是它母亲的复制品。值得注意的是,克隆技术在带给人类巨大利益的同时,也会给人类带来灾难和问题,但我们不能因为这项技术可能带来严重后果而阻止其发展,它的产生归根结底是利大于弊,它将被广泛应用在有利于人类的方面。一个个体(通常是通过载体),再加以研究或利用。克隆有时候是指成功地鉴定出某种-{A|zh-cn:表现型;zh-tw:显性}-的基因。所以当某个生物学家说某某疾病的基因被成功地克隆了,就是说这个基因的位置和DNA序列被确定。而获得该基因的拷贝则可以认为是鉴定此基因的副产品。

克隆一个生物体意味着创造一个与原先的生物体具有完全一样的遗传信息的新生物体。在现代生物学背景下,这通常包括了体细胞核移植。在体细胞核移植中,卵母细胞核被除去,取而代之的是从被克隆生物体细胞中取出的细胞核,通常卵母细胞和它移入的细胞核均应来自同一物种。由于细胞核几乎含有生命的全部遗传信息,宿主卵母细胞将发育成为在遗传上与核供体相同的生物体。线粒体DNA这里虽然没有被移植,但相对来讲线粒体DNA还是很少的,通常可以忽略其对生物体的影响。

克隆在园艺学上是指通过营养生殖产生的单一植株的后代。很多植物都是通过克隆这样的无性生殖方式从单一植株获得大量的子代个体。

利用克隆技术可以在抢救珍奇濒危动物、扩大良种动物群体、提供足量试验动物、推进转基因动物研究、攻克遗传性疾病、研制高水平新药、生产可供人移植的内脏器官等研究中发挥作用,但如果将其应用在人类自身的繁殖上,将产生巨大的伦理危机。

克隆是英文 clone的音译,简单讲就是一种人工诱导的无性繁殖方式。但克隆与无性繁殖是不同的。无性繁殖是指不经过雌雄两性生殖细胞的结合、只由一个生物体产生后代的生殖方式,常见的有孢子生殖、出芽生殖分裂生殖。由植物的根、茎、叶等经过压条、扦插或嫁接等方式产生新个体也叫无性繁殖。绵羊、猴子和牛等动物没有人工操作是不能进行无性繁殖的。科学家把人工遗传操作动、植物的繁殖过程叫克隆,这门生物技术叫克隆技术。

克隆技术的设想是由德国胚胎学家于1938年首次提 出的,1952年,科学家首先用青蛙开展克隆实验,之后不断有人利用各种动物进行克隆技术研究。由于该项技术几乎没有取得进展,研究工作在80年代初期一度进入低谷。 后来,有人用哺乳动物胚胎细胞进行克隆取得成功。 1996年7月5日,英国科学家伊恩维尔穆特博士用成年羊体细胞克隆出一只活产羊,给克隆技术研究带来了重大突破,它突破了以往只能用胚胎细胞进行动物克隆的技术难 关,首次实现了用体细胞进行动物克隆的目标,实现了更高意义上的动物复制。研究克隆技术的目标是找到更好的办法改变家畜的基因构成,培育出成群的能够为消费者提供可能需要的更好的食品或任何化学物质的动物。

克隆的基本过程是先将含有遗传物质的供体细胞的核移植到去除了细胞核的卵细胞中,利用微电流刺激等使两者融合为一体,然后促使这一新细胞分裂繁殖发育成胚胎,当胚胎发育到一定程度后(罗斯林研究所克隆羊采用的时间约为 6天)再被植入动物子宫中使动物怀孕使可产下与提供细胞 者基因相同的动物。这一过程中如果对供体细胞进行基因改造,那么无性繁殖的动物后代基因就会发生相同的变化。培育成功三代克隆鼠的“火奴鲁鲁技术”与克隆多利羊技术的主要区别在于克隆过程中的遗传物质不经过培养液的培养,而是直接用物理方法注入卵细胞。这一过程中采用化学刺激法代替电刺激法来重新对卵细胞进行控制。1998年7月 5日,日本石川县畜产综合中心与近畿大学畜产学研究室的科学家宣布,他们利用成年动物体细胞克隆的两头牛犊诞生。这两头克隆牛的诞生表明克隆成年动物的技术是可重复的。

古代神话里孙悟空用自己的汗毛变成无数个小孙悟空的离奇故事,表达了人类对复制自身的幻想。1938 年,德国科学家首次提出了哺乳动物克隆的思想,1996年,体细胞克隆羊“多利”出世后,克隆迅速成为世人关注的焦点,人们不禁疑问:我们会不会跟在羊的后面?这种疑问让所有人惶惑不安。然而,反对克隆的喧嚣声没有抵过科学家的执着追求,伴随着牛、鼠、猪乃至猴这种与人类生物特征最为相近的灵长类动物陆续被克隆成功,人们已经相信,总有一天,科学家会用人类的一个细胞复制出与提供细胞者一模一样的人来,克隆人已经不是科幻小说里的梦想,而是呼之欲出的现实。目前,已有三个国外组织正式宣布他们将进行克隆人的实验,美国肯塔基大学的扎沃斯教授正在与一位名叫安提诺利的意大利专家合作,计划在两年内克隆出一个人来。

由于克隆人可能带来复杂的后果,一些生物技术发达的国家,大都对此采取明令禁止或者严加限制的态度。克林顿说:“通过这种技术来复制人类,是危险的,应该被杜绝!”全国政协委员、中国科学院国家基因研究中心主任洪国藩也明确表示反对进行克隆人的研究,而主张把克隆技术和克隆人区别开来。

克隆人,真的如潘多拉盒子里的魔鬼一样可怕吗?

实际上,人们不能接受克隆人实验的最主要原因,在于传统伦理道德观念的阻碍。千百年来,人类一直遵循着有性繁殖方式,而克隆人却是实验室里的产物,是在人为操纵下制造出来的生命。尤其在西方,“抛弃了上帝,拆离了亚当与夏娃”的克隆,更是遭到了许多宗教组织的反对。而且,克隆人与被克隆人之间的关系也有悖于传统的由血缘确定亲缘的伦理方式。所有这些,都使得克隆人无法在人类传统伦理道德里找到合适的安身之地。但是,正如中科院院士何祚庥所言:“克隆人出现的伦理问题应该正视,但没有理由因此而反对科技的进步”。人类社会自身的发展告诉我们,科技带动人们的观念更新是历史的进步,而以陈旧的观念来束缚科技发展,则是僵化。历史上输血技术、器官移植等,都曾经带来极大的伦理争论,而当首位试管婴儿于1978年出生时,更是掀起了轩然大波,但在21世纪,人们已经能够正确地对待这一切了。这表明,在科技发展面前不断更新的思想观念并没有给人类带来灾难,相反地,它造福了人类。就克隆技术而言,“治疗性克隆”将会在生产移植器官和攻克疾病等方面获得突破,给生物技术和医学技术带来革命性的变化。比如,当你的女儿需要骨髓移植而没有人能为她提供;当你不幸失去5岁的孩子而无法摆脱痛苦;当你想养育自己的孩子又无法生育……也许你就能够体会到克隆的巨大科学价值和现实意义。治疗性克隆的研究和完整克隆人的实验之间是相辅相成、互为促进的,治疗性克隆所指向的终点就是完整克隆人的出现,如果加以正确的利用,它们都可以而且应该为人类社会带来福音。

科学从来都是一把双刃剑。但是,某项科技进步是否真正有益于人类,关键在于人类如何对待和应用它,而不能因为暂时不合情理就因噎废食。克隆技术确实可能和原子能技术一样,既能造福人类,也可祸害无穷。但“技术恐惧”的实质,是对错误运用技术的恐惧,而不是对技术本身的恐惧。目前,世界各国对克隆人的态度多有“暧昧”,英国在2012年以超过三分之二的多数票通过了允许克隆人类早期胚胎的法案,而在美国、德国、澳大利亚,也逐渐听到了要求放松对治疗性克隆限制的声音。可以说,哪一个国家首先掌握了克隆人的技术,就意味着这个国家拥有了优势和主动,而起步晚的国家可能因此而遭受现在还无法预测的损失。如同当年美国首先掌握了原子能技术,虽然这项技术从一开始便展现着它罪恶的一面,但后来各国又不得不加紧这方面的研究和实验。单从这个角度上讲,对克隆人实验采取简单否定的态度也是值得探讨的。

至于人们担忧克隆技术一旦成熟,会有用心不良者克隆出千百个“希特勒”,或者克隆出另一个名人来混淆视听,则是对克隆的误解。克隆人被复制的只是遗传特征,而受后天环境里诸多因素影响的思维、性格等社会属性不可能完全一样,即克隆技术无论怎样发展,也只能克隆人的肉体,而不能克隆人的灵魂,而且,克隆人与被克隆人之间有着年龄上的差距。因此,所谓克隆人并不是人的完全复制,历史人物不会复生,现实人物也不必担心多出一个“自我”来。

尽管克隆研究取得了很大进展,目前克隆的成功率还是相当低的:多利出生之前研究人员经历了276次失败的尝试;70只小牛的出生则是在9000次尝试后才获得成功,并且其中的三分之一在幼年时就死了;Prometea也是花费了328次尝试才成功出生。而对于某些物种,例如猫和猩猩,到2013年还没有成功克隆的报道。而狗的克隆实验,也是经过数百次反覆试验再得来的成果。

多利出生后的年龄检测表明其出生的时候就上了年纪。她6岁的时候就得了一般老年时才得的关节炎。这样的衰老被认为是端粒的磨损造成的。端粒是染色体位于末端的。随着细胞分裂,端粒在复制过程中不断磨损,这通常认为是衰老的一个原因。然而,研究人员在克隆成功牛后却发现它们实际上更年轻。分析它们的端粒表明它们不仅是回到了出生的长度,而且比一般出生时候的端粒更长。这意味着它们可以比一般的牛有更长的寿命,但是由于过度生长,它们中的很多都过早夭折了。研究人员相信相关的研究最终可以用来改变人类的寿命。

克隆羊“多利”的诞生在全世界掀起了克隆研究热潮,随后,有关克隆动物的报道接连不断。1997年3月,即“多利”诞生后近1个月的时间里,美国、中国台湾和澳大利亚科学家分别发表了他们成功克隆猴子、猪和牛的消息。不过,他们都是采用胚胎细胞进行克隆,其意义不能与“多利”相比。同年7月,罗斯林研究所和PPL公司宣布用基因改造过的胎儿成纤维细胞克隆出世界上第一头带有人类基因的转基因绵羊“波莉”(Polly)。这一成果显示了克隆技术在培育转基因动物方面的巨大应用价值。

1998年7月,美国夏威夷大学Wakayama等报道,由小鼠卵丘细胞克隆了27只成活小鼠,其中7只是由克隆小鼠再次克隆的后代,这是继“多利”以后的第二批哺乳动物体细胞核移植后代。此外,Wakayama等人采用了与“多利”不同的、新的、相

对简单的且成功率较高的克隆技术,这一技术以该大学所在地而命名为“檀香山技术”。

此后,美国、法国、荷兰和韩国等国科学家也相继报道了体细胞克隆牛成功的消息;日本科学家的研究热情尤为惊人,1998年7月至1999年4月,东京农业大学、近畿大学、家畜改良事业团、地方(石川县、大分县和鹿儿岛县等)家畜试验场以及民间企业(如日本最大的奶商品公司雪印乳业等)纷纷报道了,他们采用牛耳部、臀部肌肉、卵丘细胞以及初乳中提取的乳腺细胞克隆牛的成果。至1999年底,全世界已有6种类型细胞胎儿成纤维细胞、乳腺细胞、卵丘细胞、输卵管/子宫上皮细胞、肌肉细胞和耳部皮肤细胞的体细胞克隆后代成功诞生。

2000年6月,中国西北农林科技大学利用成年山羊体细胞克隆出两只“克隆羊”,但其中一只因呼吸系统发育不良而早夭。据介绍,所采用的克隆技术为该研究组自己研究所得,与克隆“多利”的技术完全不同,这表明我国科学家也掌握了体细胞克隆的尖端技术。

在不同种间进行细胞核移植实验也取得了一些可喜成果,1998年1月,美国威斯康星一麦迪逊大学的科学家们以牛的卵子为受体,成功克隆出猪、牛、羊、鼠和猕猴五种哺乳动物的胚胎,这一研究结果表明,某个物种的未受精卵可以同取自多种动物的成熟细胞核相结合。虽然这些胚胎都流产了,但它对异种克隆的可能性作了有益的尝试。1999年,美国科学家用牛卵子克隆出珍稀动物盘羊的胚胎;我国科学家也用兔卵子克隆了大熊猫的早期胚胎,这些成果说明克隆技术有可能成为保护和拯救濒危动物的一条新途径。

选自2000年11月8日《文汇报》文字

我们所说的生物技术的利和弊主要指的是克隆,其利和弊是

利:1) 克隆技术可解除那些不能成为母亲的女性的痛苦。

2) 克隆实验的实施促进了遗传学的发展,为“制造”能移植于人体的动物器官开辟了前景。

3) 克隆技术也可用于检测胎儿的遗传缺陷。将受精卵克隆用于检测各种遗传疾病,克隆的胚胎与子宫中发育的胎儿遗传特征完全相同。

4) 克隆技术可用于治疗神经系统的损伤。成年人的神经组织没有再生能力,但干细胞可以修复神经系统损伤。

5) 在体外受精手术中,医生常常需要将多个受精卵植入子宫,以从中筛选一个进入妊娠阶段。但许多女性只能提供一个卵子用于受精。通过克隆可以很好地解决这一问题。这个卵细胞可以克隆成为多个用于受精,从而大大提高妊娠成功率。

弊:1) 克隆将减少遗传变异,通过克隆产生的个体具有同样的遗传基因,同样的疾病敏感性,一种疾病就可以毁灭整个由克隆产生的群体。 可以设想,如果一个国家的牛群都是同一个克隆产物,一种并不严重的病毒就可能毁灭全国的畜牧业。

2) 克隆技术的使用将使人们倾向于大量繁殖现有种群中最有利用价值的个体,而不是按自然规律促进整个种群的优胜劣汰。从这个意义上说,克隆技术干扰了自然进化过程.

3) 克隆技术是一种昂贵的技术,需要大量的金钱和生物专业人士的参与,失败率非常高。多利就是277次实验唯一的成果。虽然现在发展出了更先进的技术,成功率也只能达到2-3-。

4) 转基因动物提高了疾病传染的风险。例如,如果一头生产药物牛奶的牛感染了病毒,这种病毒就可能通过牛奶感染病人

5) 克隆技术应用于人体将导致对后代遗传性状的人工控制。克隆技术引起争论的核心就是能否允许对发育初期的人类胚胎进行遗传操作。这是很多伦理学家所不能接受的。

6) 克隆技术也可用来创造“超人”,或拥有健壮的体格却智力低下的人。而且,如果克隆技术能够在人类中有效运用,男性也就失去了遗传上的意义。

7) 克隆技术对家庭关系带来的影响也将是巨大的。一个由父亲的DNA克隆生成的孩子可以看作父亲的双胞胎兄弟,只不过延迟了几十年出生而已。很难设想,当一个人发现自己只不过是另外一个人的完全复制品,他(她)会有什么感受?

奇妙的克隆技术已展示出广阔的应用前景,概括起来大致有以下四个方面:

(1)培育优良畜种和生产实验动物;

(2)生产转基因动物;

(3)生产人胚胎干细胞用于细胞和组织替代疗法;

(4)复制濒危的动物物种,保存和传播动物物种资源。

以下就生产转基因动物和胚胎干细胞作简要说明。

转基因动物研究是动物生物工程领域中最诱人和最有发展前景的课题之一,转基因动物可作为医用器官移植的供体、作为生物反应器,以及用于家畜遗传改良、创建疾病实验模型等。但目前转基因动物的实际应用并不多,除单一基因修饰的转基因小鼠医学模型较早得到应用外,转基因动物乳腺生物反应器生产药物蛋白的研究时间较长,已进行了10多年,但目前在全世界范围内仅有2例药品进入3期临床试验,5~6个药品进入2期临床试验;而其农艺性状发生改良、可资畜牧生产应用的转基因家畜品系至今没有诞生。转基因动物制作效率低、定点整合困难所导致的成本过高和调控失灵,以及转基因动物有 性繁殖后代遗传性状出现分离、难以保持始祖的优良胜状,是制约当今转基因动物实用化进程的主要原因。

体细胞克隆的成功为转基因动物生产掀起一场新的革命,动物体细胞克隆技术为迅速放大转基因动物所产生的种质创新效果提供了技术可能。采用简便的体细胞转染技术实施目标基因的转移,可以避免家畜生殖细胞来源困难和低效率。同时,采用转基因体细胞系,可以在实验室条件下进行转基因整合预检和性别预选。在核移植前,先把目的外源基因和标记基因(如LacZ基因和新霉素抗性基因)的融合基因导入培养的体细胞中,再通过标记基因的表现来筛选转基因阳性细胞及其克隆,然后把此阳性细胞的核移植到去核卵母细胞中,最后生产出的动物在理论上应是100-的阳性转基因动物。采用此法,Schnieke等(Bio Report,1997)已成功获得6只转基因绵羊,其中3只带有人凝血因子IX基因和标记基因(新霉素抗性基因),3只带有标记基因,目的外源基因整合率高达50-。Cibelli(Science,1997)同样利用核移植法获得3头转基因牛,证实了该法的有效性。由此可以看出,当今动物克隆技术最重要的应用方向之一,就是高附加值转基因克隆动物的研究开发。

胚胎干细胞(ES)是具有形成所有成年细胞类型潜力的全能干细胞。科学家们一直试图诱导各种干细胞定向分化为特定的组织类型,来替代那些受损的体内组织,比如把产生胰岛素的细胞植入糖尿病患者体内。科学家们已经能够使猪ES细胞转变为跳动的心肌细胞,使人ES细胞生成神经细胞和间充质细胞和使小鼠ES细胞分化内胚层细胞。这些结果为细胞和组织替代疗法开辟了道路。1998年,科学家已成功分离到人ES细胞(Thomson等,1998,Science),而体细胞克隆技术为生产患者自身的ES细胞提供了可能。把患者体细胞移植到去核卵母细胞中形成重组胚,把重组胚体外培养囊胚,然后从囊胚内分离出ES细胞,获得的ES细胞使之定向分化为所需的特定细胞类型(如神经细胞,肌肉细胞和血细胞),用于替代疗法。这种核移植法的最终目的是用于干细胞治疗,而非得到克隆个体,科学家们称之为“治疗克隆”。

克隆技术在基础研究中的应用也是很有意义的,它为研究配子和胚胎发生,细胞和组织分化,基因表达调控,核质互作等机理提供了工具。

作为一个新兴的研究队 在实践中,克隆动物的成功率还很低,维尔穆特研究组在培育“多利“的实验中,融合了277枚移植核的卵细胞,仅获得了“多利”这一只成活羔羊,成功率只有0.36-,同时进行的胎儿成纤维细胞和胚胎细胞的克隆实验的成功率也分别只有1.7-和1.1-,即使是使用“檀香山”技术,以分化程度较低的卵丘细胞为核供体,其成功率也只有百分之几。

此外,生出的部分个体表现出生理或免疫缺限。以克隆牛为例,日本、法国等国培育的许多克隆牛在降生后两个月内死去;到2000年2月,日本全国已共有121头体细胞克隆牛诞生,但存活的只有64头。观察结果表明,部分犊牛胎盘功能不完善,其血液中含氧量及生长因子的浓度都低于正常水平;有些牛犊的胸腺、脾和淋巴腺未得到正常发育;克隆动物胎儿普遍存在比一般动物发育快的倾向,这些都可能是死亡的原因。

即使是正常发育的“多利”,也被发现有早衰迹象。染色体的末端被称为端粒,它决定着细胞能够分裂的次数:每一次分裂端粒都会缩短,而当端粒耗尽后细胞就失去了分裂能力。1998年,科学家发现“多利”的细胞端粒比正常的要短,即其细胞处于更衰老的状态。当时认为,这可能是用成年绵羊的细胞克隆“多利”造成的,使其细胞具有成年细胞的印记,但这一解释目前受到了挑战,美国马萨诸塞州的医生罗伯特兰扎等用培养的衰老细胞克隆牛,得到6头小牛,出生5~10个月后发现这些克隆牛的端粒比普通同龄小牛要长,有的甚至比普通新生小牛的端粒还长。现在还不清楚这一现象的原因,也不清楚为何与“多莉“的情况有巨大差别。但这一实验说明,在一些情况下克隆过程能改变成熟细胞的分子钟,使其“恢复青春”,关于这种变化对克隆动物寿命的影响,还有待于进一步观察。

除了以上的理论和技术障碍外,克隆技术(尤其是在人胚胎方面的应用)对伦理道德的冲击和公众对此的强烈反应也限制了克隆技术的应用。但几年来克隆技术的发展表明,世界各科技大国都不甘落后,谁也没有放弃克隆技术研究。这一点上英国政府的态度非常具有代表性,在1997年2月底宣布中止对“多莉”研究小组投资后不到1个月,英国科技委员会就对克隆技术发表专题报告,表明英国政府将重新考虑这一决定,认为盲目禁止这方面的研究并不是明智之举,关键在于建立一定的规范利用它为人类造福。

一个细菌经过20分钟左右就可一分为二;一根葡萄枝切成十段就可能变成十株葡萄;仙人掌切成几块,每块落地就生根;一株草莓依靠它沿地“爬走”的匍匐茎,一年内就能长出数百株草莓苗……凡此种种,都是生物靠自身的一分为二或自身的一小部分的扩大来繁衍后代,这就是无性繁殖,无性繁殖的英文名称叫“Clone”,译音为“克隆”。

自然界的许多动物,在正常情况下都是依靠父方产生的雄性细胞(精子)与母方产生的雌性细胞(卵子)融合(受精)成受精卵(合子),再由受精卵经过一系列细胞分裂长成胚胎,最终形成新的个体,这种依靠父母双方提供性细胞、并经两性细胞融合产生后代的繁殖方法就叫有性繁殖,但是,如果我们用外科手术将一个胚胎分割成两块,四块、八块……最后通过特殊的方法使一个胚胎长成两个、四个,八个……生物体,这些生物体就是克隆个体,而这两个、四个、八个……个体就叫做无性繁殖系(也叫克隆)。

1979年春,中国科学院武汉水生生物研究所的科学家用鲫鱼囊胚期的细胞进行人工培养,经过385天59代连续传代培养后,用直径10微米左右的玻璃管在显微镜下从培养细胞中吸出细胞核,在此同时,除去鲫鱼卵细胞的核,让卵细胞留出空间作好接纳囊胚细胞核的准备,一切准备就绪后,把玻璃管吸出的核移放到空出位置的鲫鱼卵细胞内,得到了囊胚细胞核的卵细胞在人工培养下大部分夭亡了,在189个这种换核卵细胞中,只有两个孵化出了鱼苗,而最终只有一条幼鱼渡过难关,经过80多天培养后长成8厘米长的鲫鱼。这种鲫鱼并没有经过雌、雄细胞的结合,仅仅是给卵细胞换了个囊胚细胞的核,实际上是由换核卵产生的,因此也是克隆鱼

在克隆鲫鱼出现之前,英国牛津大学的科学家已经在1960年和1962年,先后用非洲一种有爪的蟾蜍(非洲爪蟾)进行过克隆试验。试验方式是先用紫外线照射爪蟾卵细胞,破坏其中的核,然后依靠高超的外科手术从爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞、肝细胞、肾细胞中取出核,并把这些细胞的核精确地放进已被紫外线破坏了细胞核的卵细胞内,经过精心照料,这些换核卵中终于有一部分长出了活蹦乱跳的爪蟾,这种爪蟾也不是经过精细胞和卵细胞州结合产生的,所以也是克隆爪蟾。

我国著名生物学家童第周先生在1978年成功地进行了黑斑蛙的克隆试验,他将黑斑蛙的红细胞的核移人事先除去了核的黑斑蛙卵中,这种换核卵最后长成能在水中自由游泳的蝌蚪。

鱼类换核技术的成熟和两栖类换核的成功,使一批从事良种培育工作的科学家激动不已,既然鲫鱼的囊胚细胞核取代鲫鱼卵细胞核后能得到克隆鱼,那么异种鱼换核能否得到新的杂种鱼呢?我国科学家首先提出了这个问题,也首先解决了这个问题,就是培养克隆鲫鱼成功的那个研究所,设法把鲤鱼胚胎细胞的核取代了鲫鱼卵细胞的核。鲤鱼细胞核和鲫鱼卵细胞质居然能相安无事,并开始了类似受精卵分裂发育的过程,最后长出有“胡须”的“鲤鲫鱼”,这种鱼有“胡须”,生长快,完全像鲤鱼,但它的侧线鳞片数和脊椎骨的数目与鲫鱼相同,而且鱼味鲜美不亚于鲫鱼。这种人工克隆新鱼种的出现为鱼类育种开辟了新途径。

对科学的追求是永无止境的,鱼类,两栖类克隆的成功自然而然地使科学家把目光投向了哺乳类。美国和瑞士的科学家率先从灰色小鼠的胚胎细胞中取出细胞核,用这个核取代黑色小鼠受精卵细胞核。实际上,这个黑色小鼠的受精卵在精细胞核刚进入卵细胞后,就把精细胞核连同卵细胞的核一起除去。灰鼠胚胎细胞的核移人黑色小鼠的去核受精卵后,在试管里人工培养了四天,然后再把它植人白色小鼠的子宫内、经几百次灰、黑、白这样的操作以后,白色小鼠终于生下了三只小灰鼠。

1996年2月27日出版的英国“自然”杂志公布了爱丁堡罗斯林研究所威尔莫特等人的研究成果:经过247次失败之后,他们在前年7月得到了一只名为“多莉”的克隆雌性绵羊。

“多莉”绵羊是如何“创造”出来的呢?威尔莫特等学者先给“苏格兰黑面羊”注射促性腺素,促使它排卵,得到卵之后,立即用极细的吸管从卵细胞中取出核,与此同时,从怀孕三个月的“芬多席特”六龄母羊的乳腺细胞中取出核,立即送入取走核的“苏格兰黑面羊”的卵细胞中,手术完成之后,用相同频率的电脉冲刺激换核卵,让“苏格兰黑面羊”的卵细胞质与“芬多席特”母羊乳腺细胞的核相互协调,使这个“组装”细胞在试管里经历受精卵那样的分裂、发育而形成胚胎的过程,然后,将胚胎巧妙地植人另一只母羊的子宫里。到2012年7月,这只“护理”体外形成胚胎的母羊终于产下了小绵羊“多莉”。"多莉"不是由母羊的卵细胞和公羊的精细胞受精的产物,而是“换核卵”一步一步发展的结果,因此是“克隆羊”。

“克隆羊”的诞生,在世界各国引起了震惊,它难能可贵之处在于换进去的是体细胞的核,而不是胚胎细胞核。这个结果证明:动物体中执行特殊功能、具有特定形态的所谓高度分化的细胞与受精卵一样具有发育成完整个体的潜在能力。也就是说,动物细胞与植物细胞一样,也具有全能性。

克隆技术会给人类带来极大的好处,例如,英国PPL公司已培育出羊奶中含有治疗肺气肿的a-1抗胰蛋白酶的母羊。这种羊奶的售价是6千美元一升。一只母羊就好比一座制药厂,用什么办法能最有效、最方便地使这种羊扩大繁殖呢?最好的办法就是“克隆”。同样,荷兰PHP公司培育出能分泌人乳铁蛋白的牛,以色列LAS公司育成了能生产血清白蛋白的羊,这些高附加值的牲畜如何有效地繁殖?答案当然还是“克隆”。

母马配公驴可以得到杂种优势特别强的动物骡,骡不能繁殖后代,那么,优良的骡如何扩大繁殖?最好的办法也是“克隆”,我国的大熊猫是国宝,但自然交配成功率低,因此已濒临绝种。如何挽救这类珍稀动物?“克隆”为人类提供了切实可行的途径。

克隆动物还对于研究癌生物学、研究免疫学、研究人的寿命等都有不可低估的作用。

不能否认,“克隆绵羊”的问世也引起了许多人对“克隆人”的兴趣,例如,有人在考虑,是否可用自己的细胞克隆成一个胚胎,在其成形前就冰冻起来。在将来的某一天,自身的某个器官出了问题时,就可从胚胎中取出这个器官进行培养,然后替换自己病变的器官,这也就是用克隆法为人类自身提供“配件”。

有关“克隆人”的讨论提醒了人们,科技进步是一首悲喜交集的进行曲。科技越发展,对社会的渗透越广泛深入,就越有可能引起许多有关的伦理、道德和法律等问题。我想用诺贝尔奖获得者,著名分子生物学家J.D.沃森的话来结束本文:“可以期待,许多生物学家,特别是那些从事无性繁殖研究的科学家,将会严肃地考虑它的含意,并展开科学讨论,用以教育世界人民。”

作为新世纪的尖端科学,克隆技术从它诞生的那一刻起就吸引了众多世人的目光。作为世界最大的发展中国家,中国一直在致力于前沿科学的研究。据目前的状况来看,克隆作为新兴的技术在中国得到前所未有的关注而且硕果累累:

1、2000年6月16日,由西北农林科技大学动物胚胎工程专家张涌教授培育的世界首例成年体细胞克隆山羊“元元”在该校种羊场顺利诞生。“元元”由于肺部发育缺陷,只存活了36小时。同年6月22日,第二只体细胞山羊“阳阳”又在西北农林科技大学出生。2001年8月8日,“阳阳”在西北农林科技大学产下一对“龙凤胎”,表明第一代克隆羊有正常的繁育能力。

据介绍,2003年2月26日,克隆羊“阳阳”的女儿“庆庆”产下千金“甜甜”,2004年2月6日“甜甜”顺利产下女儿“笑笑”。“阳阳”家族实现四代同堂。这不仅表明第一代克隆羊具有生育能力,其后代仍具有正常的生育能力。目前,“阳阳”与她的女儿“庆庆”、外孙女“甜甜”和曾孙女“笑笑”无忧无虑地生活在一起。据介绍,截止2004年5月底,前来参观的各人士已超过100万人次

2、不久前,在河北农业大学与山东农业科学院生物技术研究中心联合攻关下,中国的科技人员通过名为“家畜原始生殖细胞胚胎干细胞分离与克隆的研究”实验课题,成功克隆出两只小白兔“鲁星”和“鲁月”。这项实验表明中国已经成功地掌握了胚胎克隆,虽然在技术上还没有达到体细胞克隆羊“多利”的水平,但它为中国的克隆技术进步奠定了基础。

之后,中国广西大学动物繁殖研究所成功繁殖体形比普通的兔子大的克隆兔。因为兔子与人类的生理更加接近,克隆兔的成功诞生,有助于人类医学研究。

3、2002年5月27日,中国农业大学与北京基因达科技有限公司和河北芦台农场合作,通过体细胞克隆技术,成功克隆了国内第一头优质黄牛红系冀南牛。这头名为“波娃”的体细胞克隆黄牛经权威部门鉴定,部分克隆技术指标达到国际水平。冀南牛是我国特有的优良地方黄牛品种,分布在我国河北,主要特点是耐寒、肉多脂少。但目前数量急剧减少,已濒临灭绝。此次成功克隆,对保护我国濒危物种具有深远影响。

4、2002年10月16日中午,中国第一头利用玻璃化冷冻技术培育出的体细胞克隆牛在山东省梁山县诞生。

这头克隆牛的核供体来自于一头年产鲜奶10吨以上的优质黑白花奶牛的耳皮肤成纤维细胞。克隆胚胎经过玻璃化冷冻后移植到一头鲁西黄牛体内,经过281天后于2002年10月16日11点52分产出一头健康的黑白花奶牛。这头克隆牛诞生时体重40公斤,身高80厘米,体长72厘米,胸围80厘米,管围11.5厘米。当天14点20分初乳,14点30分开始站立,当晚能叫、能卧、能蹦,与正常出生的奶牛体征无异。这是中国首例利用玻璃化冷冻技术培育出的第一头体细胞克隆牛。在此之前,中国一直沿用的是鲜胚移植技术,尚未有利用冷冻技术克隆成功的先例。

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