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第七章胚胎嵌合技术 王子玉南京农业大学动物胚胎工程技术中心 动物克隆 主要内容 一 研究概况二 嵌合体动物定义三 生产方法四 应用前景五 嵌合体研究存在的问题 一 研究概况 嵌合体 chimera 一词源于古希腊神话 其意是指狮头 羊身 龙尾等部分拼凑起来的怪兽 中国的 龙 九似图腾 龙角似鹿 头似驼 眼似鬼 项似蛇 腹似蜃 鳞似鲤 爪似鹰 掌似虎 耳似牛 嵌合在生物学上是指同一个体中 基因型相异的细胞或组织混合存在的状态 现代的胚胎工程技术中 也有一种叫胚胎嵌合的技术 它是将 个胚胎细胞 同种或异种动物胚胎 合并 共同发育成 个胚胎 即 嵌合胚胎 然后将这个胚胎移植给受体 让其妊娠产仔 如果产下来的幼仔具有以上 种动物胚胎的细胞 则称其为 嵌合体动物 例如 用同一种类的黑鼠和白鼠胚胎嵌合 可生下黑白相间的花小鼠 不同种类的绵羊和山羊胚胎细胞嵌合 可生下绵山羊 它既有绵羊的特征 又有山羊的特征 美国科学家将人类的干细胞加入到了许多动物的胚胎中 制造长着人的器官的嵌合体动物 例如猪体内流着人的血液的 人猪 羊体内的肝脏80 的成分属于人类的肝脏的 人羊 老鼠头颅里加入人的脑细胞的 人鼠 等 当人的器官在动物的体内生长 拥有人类细胞的猪或老鼠 是不是会像人类一样思考 却和动物一样行事 它们所带给人类社会的恐惧 早已超越了人类认知的界限和人类对科学成果的接纳空间 嵌合体 是在生物界非常普遍的自然现象 孪生子在同一个子宫中发育时会发生细胞交流 大多数孪生子体内都携带着某些来自其同胞的细胞 他们都是嵌合体 在胎儿发育过程中 母体和胎儿也会发生细胞交流 从孕妇血液中可检测到胎儿的细胞 多数母亲体内终生携带着她们生下的子女的某些细胞 许多人体内也携带着他们的母亲的某些细胞 这些母亲 子女也都是嵌合体 那些接受器官移植的人 更全都是嵌合体 不同的物种也可以形成嵌合体 例如把两个来自异种动物的胚胎嵌合成一个胚胎 就可以培育出异种嵌合体动物 像绵羊 山羊嵌合体 马 斑马嵌合体等都已培育成功 许多心脏病患者移植了猪或牛的瓣膜 也是异种嵌合体 重组DNA技术 转基因技术事实上也都是在制造分子层次上的嵌合体 用日本黑牛精子与荷斯坦母牛卵母细胞受精和利木赞牛精子与日本红牛卵母细胞受精 通过体外胚胎聚合的方法 获得2头四品种嵌合体牛铃木达行1998 二 嵌合体动物定义 天然嵌合体 骡子 不是 是杂种 三 生产方法 1囊胚显微注射法 用显微操作技术将供胚的全部内细胞团注入除去部分内细胞团的受胚囊胚腔中 或将供胚的部分内细胞团注入受胚的囊胚腔中 也可以向受胚囊胚腔中 或卵周间隙 注入16细胞至桑甚胚的卵裂球 胚胎干细胞或已分化的细胞 使其发育为嵌合胚胎的方法即为囊胚注入法 囊胚腔注射法嵌合体获得率最高 2 聚合法 是指将去除透明带的两枚8细胞至桑葚期胚胎 或来自两个不同胚胎的卵裂球 或卵裂球与胚胎聚合在一起的方法 酶消化法去除透明带 0 2 0 5 链霉蛋白酶在25 27 下处理3min 移入含BSA 牛血清白蛋白 的培养液中终止酶的消化作用 用培养液洗净卵子 三次 裸胚聚合 移入胚胎联结液小滴 植物凝集素A PHA 起粘合作用 中 培养10 20min 将融合胚轻轻移入20 PBS中洗涤两次 继续培养5h 10h后 移植入同期发情的受体输卵管或子宫角中 卵裂球聚合 取相同数量的两个不同种属的卵裂球装入空的透明带内 加入PHA使其聚合 用琼脂包埋后体外直接培养或移入兔输卵管中使其发育至囊胚 最后再移入受体子宫角内 卵裂球与胚胎聚合 将解离好的卵裂球慢慢释放于另一个裸胚的正上方 使二者直接接触 借助于PHA的作用使之聚合 四 应用前景 胚胎嵌合是哺乳动物胚胎工程的重要组成部分 作为一种特殊的研究手段 在发育生物学 细胞生物学 胚胎学 病理学 免疫学 医学以及动物生产等领域都有着重要的作用 1 在发育及细胞生物学方面的运用 1 研究胚胎分化规律胚胎嵌合技术是研究分析哺乳动物发生机制的重要手段之一 将基因型不同的胚胎细胞嵌合在一起 根据其在嵌合体组织或器官中的分布及存活率情况 研究胚胎早期分化的规律 同时 通过嵌合胚胎内细胞团以外的细胞 可以研究各类胚细胞核的全能性及其正常分化能力 2 研究性分化机理利用嵌合体可以研究性别分化以及参与性分化的细胞及其规律 3 孤雌生殖利用嵌合体技术 己获得了孤雌生殖小鼠 胎盘发育不全 铃木达行等 1998 通过聚合从日本红牛获取的卵母细胞的孤雌生殖二倍体胚胎和用荷斯坦母牛卵母细胞进行IVF的胚胎 获得2死1活3头嵌合体犊牛 2 在免疫学与医学方面的运用 1 用于免疫功能的分析通过分析嵌合体中白细胞的免疫应答 可揭示正常的免疫防御机理 2 建立遗传病动物模型人类大多数遗传疾病 都可以利用嵌合体技术建立特定的动物模型 艾滋病病毒不能感染小鼠 无法用小鼠作为研究艾滋病的模型动物 但是如果我们设法让小鼠长有人的免疫系统 艾滋病病毒就可以感染这种嵌合体小鼠 它们目前已被用于试验治疗艾滋病的药物 3 在动物生产中的应用 1 人工制造有特殊经济价值的个体对水绍 狐狸 绒鼠等毛皮动物 利用胚胎嵌合体技术可以获得用交配或杂交法不能获得的毛皮花色类型 2 种间移植用于分析胎儿与母体的相互关系 如将斑马的受精卵 移植到马体内生产斑马 拯救珍稀濒危动物 3 可作为外源基因的导入方法把外源目的基因先导入干细胞 再通过胚胎干细胞介导法将目的基因转入胚胎 这是转基因动物生产中基因导入的一种重要手段 4 生产移植器官人兔胚胎嵌合体 将来发育成某种特定器官 如能克服免疫排斥反应 有望用于器官移植 嵌合体的科研价值和医学价值 如斯坦福大学魏斯曼实验室最近向鼠胎注射进一些人神经干细胞 制造出的小鼠大脑细胞中 掺杂有约1 为人脑细胞 把人神经干细胞注入鼠胎中 然后对不同发育阶段的嵌合体鼠胎的脑进行解剖 就可以知道在胚胎发育过程人脑细胞是如何迁移的 从而有助于我们理解人脑的发育 魏斯曼设想以后是否有可能制造出大脑全部由人脑细胞组成的小鼠 这才有了这样的小鼠是否真的长着人脑 是否会像人那样思考的可能 因而才有了伦理问题 长着人的器官的嵌合体动物以后有可能被应用于器官移植 五 嵌合体研究存在的问题 一 嵌合体组织器宫的特异抗原性在种内动物嵌合体制备过程中发现 不管是两种胚胎 还是多种胚胎制成的嵌合胚胎 细胞间均能协调的生长发育 不发生免疫排斥现象 但是 无论是进行供体 供体 供体 受体动物间 还是进行嵌合体 供体 嵌合体 受体动物间的组织或器官移植 均会发生强烈的免疫排斥反应 因此 嵌合组织并没有因为成为嵌合体的一部分而改变免疫特性 而是在发育过程中 各自细胞的免疫抗原性表达可能被 掩盖 因而嵌合体中不同基因型组织之间或细胞之间并不发生排斥现象 而一旦离开嵌合体 其特异抗原性又表现出来 这为将来利用嵌合体生产人用器官造成了很大障碍 二 种间嵌合体胚胎细胞分化 发育的局限性 不同种间的胚胎聚合形成嵌合体胚胎后 一种胚胎细胞 供体 在另一种胚胎内的存活 分化和增殖会受到极大的限制 如大鼠和小鼠胚胎嵌合构成的嵌合囊胚的组织学分析发现 大鼠来源的细胞和小鼠来源的细胞 虽然都能参与滋养层和ICM的形成 但有倾向性 大鼠来源的细胞更多地构成滋养层细胞 而小鼠来源的细胞更多地分化为ICM 而且 异种胚胎的细胞群并不混合 在任何场合都形成一定的群体 这一事实表明 卵裂球在嵌合胚中的移动是相当受限的 对小鼠与琢鼠 不同的田鼠之间的种间嵌合体试验也说明 不同基因型细胞的发育在不同组织器官中有区域性优势分布 另外 绵羊和山羊嵌合体的产生 是嵌合体研究的重大突破 但绵 山羊的嵌合体大多于出生前死亡 反映了种间嵌合体细胞种细胞分化的限制性问题 也可能反映了不同种间嵌合胚的发育与受体子宫的不协调关系 这主要来自以下3个方面的因素 其一是受体胚胎细胞对供体细胞的排斥 其二是两种胚胎细胞在分化 发育和增殖方面的不协调性 其三是受体子宫对嵌合胚胎内异种胚胎的排斥 这些因素致使试验中出现频率较高的死胎 发育停滞或流产现象 复习思考题 嵌合嵌合体动物嵌合体动物生产方法囊胚显微注射法嵌合体动物应用前景 未嫁接的西瓜不能连作 避免重茬 主要就是为了防枯萎病 而采用西瓜嫁接栽培 可有效防止西瓜枯萎病 流胶病等 不仅可以连作 而且耐寒 耐贫瘠 抗旱 抗湿的能力都很强 并且由于砧木根系发达 营养供给充足 苗子长势好 可减少以氮肥为主的化肥的施用量的30 产量还可提高30 左右 亩产优质西瓜4000 5000公斤 科学家将这项胚胎嵌合技术大多应用于发育生物学 免疫学及医学动物模型等学科的研究 例如 利用这项技术可以检测动物胚胎干细胞的全能性 在畜牧业生产中 胚胎嵌合技术也大有用武之地 例如 对水貂 狐狸 绒鼠等毛皮动物 利用这项技术可以得到按传统的交配或杂交法无法得到的皮毛花色后代 从而提高毛皮的价值 克服动物间杂交繁殖的障碍 创造出新的物种 同时 这项技术还可进行异种动物彼此妊娠产仔 加快珍稀动物的繁殖 例如 利用其他动物代替大熊猫妊娠产仔 能够加快它的繁殖速度 也可通过这项技术培育出含有人类细胞的猪 使得猪器官能用作人类器官移植之用 亦可将外源基因导入一种细胞和胚胎相合 生下含有该外源基因的嵌合体动物 并可遗传下去 使它具有重要的研究和应用价值 目前 科研人员已经嵌合成功的嵌合体动物有小鼠 大鼠 绵羊 山羊 猪和牛等 种间嵌合体动物有大鼠 小鼠嵌合体 绵羊 山羊嵌合体 马 斑马嵌合体 黄牛 水牛嵌合体等 将两枚胚胎细胞 同种或异种动物胚胎 融合共同发育成为一个胚胎为嵌合胚胎 将该胚胎移植给受体 妊娠产仔 如该仔畜具有以上两种动物胚胎的细胞称之为嵌合体动物 嵌合体一词起源于希腊神话 它是指狮头 羊身 龙尾的一种怪物 如同种类黑鼠和白鼠胚胎嵌合 生下黑白相间的花小鼠 不同种的绵羊和山羊胚胎细胞嵌合 可生下绵山羊 既有绵羊的特征 又有山羊的特征 该技术多应用于发育生物学 免疫学和医学动物模型等科的研究 利用该项技术亦可检测动物胚胎干细胞的全能性 即将胚胎干细胞和同种动物胚胎嵌合 如生下嵌合体 包括生殖系在内组织细胞嵌合 即可确认该干细胞具有全能性 在畜牧业生产中亦具有重要意义 如对水貉 狐狸 绒鼠等毛皮动物 利用嵌合体可以得到按传统的交配或杂交法不能得到的皮毛花色后代 提高毛皮的商品性能 可以克服动物间杂交繁殖障碍 创造出新的物种 亦设想利用该项技术