高等动物克隆成功及其意义

高等动物克隆成功及其意义

21世纪是长寿时代，克隆技术取得了不断的发展和完善。特别是近年来，随着各种克隆动物（包括老鼠、猪、牛、羊和猴子）的诞生，“克隆人”也为它们做好了充分的技术准备，对长寿的发展和科学生活的发展产生了重大影响。“克隆人”可能在不远的将来与我们见面,而且会引起了科学界乃至整个社会的强烈反响。本文就高等动物的克隆成功及其意义作简要综述。1动物克隆技术的发展1.1动植物细胞克隆从本质上讲,克隆就是对某些生物成分(基因、细胞或生物)的拷贝或复制,从而获得同类物质的集合体(群)。在克隆一词尚未出现以前,自然界早已存在这种繁殖后代的方式,如把一柳树的枝条插在土壤中,结果柳条生根发芽长成一棵大树,其实这就是一种克隆。尽管从理论上讲,任何一个细胞都含有其生物体基因组全部基因,因此,都可以被克隆。但实际上,动植物细胞克隆结果却差别很大。在人工条件下,微生物、植物、动物及人的早期胚胎细胞和癌细胞都可以通过克隆方式形成克隆群体。而高等动物的体细胞由于在细胞进化中,细胞机能高度分化,形成机能特化细胞,这种具有机能分工的细胞很难在自然条件下通过无性繁殖来繁殖后代,而低等生物越是进化层次低,越有可能采取这种生殖方式,如微生物采取自行分裂的方式繁殖,分裂的子代与亲代遗传物质完全相同,在这个意义上讲,微生物既没有“个体”也没有死亡。但在严格意义上讲,微生物的子代与亲代总会有一定的差异,这是由于它们生长的外部环境有差异。如果在差异可以忽略不计的条件下,对微生物来说,它们是不死的,现代生物医学中用克隆技术在体外培养的正常细胞和癌细胞,也称为“永生细胞株”。在植物界,克隆技术非常普遍地被利用,目前的植物基因工程是以基因克隆为核心,植物的克隆技术是把带有基因外源核苷酸片段引入植物细胞或组织,并再生出完整的转基因植物。20世纪80年代初,世界上第一株转基因植物诞生,我国的“863”计划也将抗病虫害的玉米、棉花等良种进行克隆,并已应用到农业生产中。1.2体外受精细胞的移植哺乳动物细胞是细胞进化的最高水平,因而哺乳动物采取有性生殖方式,它比采取克隆方式的无性生殖具有诸多优点这是长期自然选择的结果但是从理论上讲高等动物细胞也含有单个细胞经无性克隆的原始潜能。科学分析推测,这种体细胞可能处于某种休眠状态,在一定条件下,人工对胚胎细胞和体细胞操作,并提供适宜的环境,动物细胞这种潜能可被重新激活和利用。从1994年开始,许多动物专家对哺乳动物克隆的方式进行了深入的探索,总结出几种动物克隆技术:(1)胚胎分割;(2)胚胎干细胞核移植;(3)胚胎细胞核移植;(4)胎儿成纤维细胞核移植;(5)胚胎嵌合;(6)体细胞核移植。前5种方法均采用性细胞发育的早期即尚未高度分化的胚胎期或胎儿期细胞进行分割或移植,而第6种方法是采用已经高度分化的体细胞进行核移植,其难度较大,过去一直未取得成功。利用前5种方法,人类已在1938年至1996年分别对青蛙、小鼠、兔、山羊、绵羊、猪、马、牛等多种哺乳动物成功地进行了克隆,为利用胚胎细胞大规模培育相同的良种牲畜开创了新途径,当然也为利用体细胞核移植技术来克隆动物打下了基础。1938年,德国胚胎学家汉斯·施佩曼提出动物细胞克隆的设想:即从发育到后期的胚胎(成熟的或未成熟的)中取出胞核核,将其移植到1个卵子中,使其繁殖,当时称此实验为“奇异的实验”构想。在1952年,美国科学家罗伯特·布里格斯和托马斯·金从青蛙胚胎中取出胞核,将其移入青蛙卵子中的克隆实验,以期获得无性繁殖的青蛙,但未获得成功。在此期间,我国也开展了细胞核移植技术的研究,童第周进行了鱼类的核移植并取得可喜进展。1981年,日内瓦大学研究人员用鼠的胚胎细胞培育出正常的鼠。1984年,施特恩·维拉德森等培育出第1只胚胎克隆羊,是取自未成熟胚胎细胞克隆成功的。而后其他科学家对牛、猪、山羊、兔、猕猴等各种动物进行了重复性克隆实验。1986年英国首次用胚胎细胞核移植技术克隆1头羊;20世纪80年代末,我国首次用此方法克隆成功1只兔。1991年,克隆羊又取得成功,1995年,我国又用牛胚胎(16个细胞阶段)培育出1头黑色克隆牛。1996年英国科学家采用“饥饿方法”使羊胚胎细胞核植入卵子后发育成正常胚胎,再将其植入母羊子宫内,经分化发育成克隆羊;美国科学家用胚胎细胞移植的方法克隆成功1头牛和2只恒河猴。1997年2月23日,英国罗斯林研究所宣布成功地利用羊去核卵细胞质和成年羊乳房细胞核克隆成“多莉羊(Dolly)”,成为世界上首例采用体细胞核移植技术克隆的高等哺乳动物,引起了科学界以至全社会的强烈反响,全球刮起了克隆风暴,各国竞相开展体细胞核移植的克隆试验。2植物引物对猪的增殖自1997年2月英国克隆绵羊“Dolly”诞生后,同年美国夏威夷大学的研究者们用成体克隆的方法从小鼠卵丘细胞中克隆出3代50多只克隆雌性小鼠。1998年克隆成功了牛,1999年克隆成功了山羊。在2000年3月,英国PPL公司宣布通过体细胞核移植技术生产了5头克隆猪,这5头小猪与作细胞核供体的母猪一模一样,都是雌性。此后,Polejaeva等和Onishi等2个研究小组分别在《科学》和《自然》上报道了通过体细胞核移植技术克隆猪的研究。克隆猪不象克隆羊和牛,因为猪是多胚胎受孕,植入母猪子宫至少要有4个以上胚胎才能保证成功怀孕,这2个研究小组是在不加辅助胚胎的情况下克隆成功的。尽管生产克隆猪的效率相对较低,但仍然是了不起的成就,它可能给人的器官移植领域带来一场革命。2001年4月,英国PPL公司宣布,世界首例转基因克隆猪诞生,5头健康的克隆仔猪均含有外源标记基因,这是该公司在2000年宣布世界首例克隆猪诞生之后又一重大成果,这次的克隆猪所不同的是,它们是由经遗传修饰的体细胞核产生的,这一成功进一步证明了生产基因敲除(knock-out)克隆猪的可行性,这种基因敲除克隆猪含有特异性的基因,可使人对猪器官产生排斥作用的免疫系统失活,这例转基因克隆猪的成功为实现猪的器官和细胞移植给人的目标迈出了坚实的一步。1999和2000年我国科研人员也成功地克隆了山羊,2001年在深圳诞生了中国第一头克隆奶牛,它是中国农业大学研究组在新西兰实验室里构建的胚胎在国内移植后问世的。随后,莱阳农学院又有2头克隆牛诞生,这是该校在日本留学的博士生在日本以胎儿皮肤细胞为供核细胞组建的胚胎在国内移植后诞生的,在2002年1月18日晚,完全由中国自主完成的第一头克隆奶牛“委委”在众人的期盼中在山东曹县问世,尽管在几个小时后它不幸夭折,但第2天另一头克隆牛“科科”又在这里来到人世,并健康生存,这实现了完全由我国自主完成的成年体细胞克隆牛零的突破代表了中国动物克隆技术的最高水平3人胚胎干细胞的研究对动物克隆引起强烈反响的原因在于人们已清楚地认识到人类能成功地克隆出别的哺乳动物,为什么不可能克隆出人类自己呢?以克隆技术为中心发展起来的人类胚胎干细胞技术是另一项激动人心的重大科技成就。胚胎干细胞是一种早期胚胎中分离得到的、高度未分化的原始细胞,具有在适宜的条件下可分化、繁殖、发育成为胎儿或定向分化为各类型组织细胞的特征。动物的胚胎干细胞系如鼠、鸡、兔、猪、牛等已相继建立,但人胚胎干细胞因为实验材料来源、技术难度及伦理道德等问题的关系,一直未有进展。1998年底,美国生物学家Thomson和Shamblott分别用丢弃的发育数天的胚胎和5～9周的胎儿的生殖嵴,同时分离到人的胚胎干细胞,并于体外培养建系成功。到目前为止,人类胚胎干细胞技术可使用3种胚胎,但操作过程基本相同,在研究中使用最普遍的胚胎是冷冻胚胎,即不育治疗诊所多余的或废弃的胚胎,它们是用不育夫妇的精卵培育的人工受精胚胎;第2种是新胚胎,现在美国至少有一家不育诊所以研究为目的正在制造这种胚胎,但公共经费不允许资助这种新胚胎;第3种是克隆胚胎,即用人类细胞克隆的胚胎,这种技术在英国是合法的,但美国正在考虑禁止它。目前,许多国家的一些研究机构都建立了人胚胎干细胞库。人胚胎干细胞库的建立在细胞和个体之间架起了一座桥梁,为研究人的胚胎发育机理、探索生命奥秘开辟了新的途径。人类胚胎干细胞库的建立以及动物体细胞克隆技术为克隆人准备了理论和技术的依据,使克隆人成为可能。许多国外的科研机构都想涉足克隆人的正式研究,克隆很可能不久将与我们见面,面对如此迫切而重大的问题,世界各地、社会各界对此非常关注,产生了强烈的社会效应。4动物克隆技术:人类最重要的生物培养克隆技术从其产生、发展,直到高等哺乳动物的克隆成功,再到克隆人成为可能,已经引起世人瞩目。这正是由于克隆技术发展到今天,它不仅在动物科学乃至整个生命科学具有及其重要的意义,而且对于人类自身的研究和认识乃至整个社会都具有较大的社会影响。采用体细胞克隆技术是一项极其重要的生物技术,将其用于克隆濒危珍稀动物和保持优良品种、生物制药、异种器官移植以及有关生命科学基础性研究领域具有广泛而巨大的应用价值。人们可利用该技术保存像大熊猫一类的濒危珍稀动物和具有特殊性状的优良品种。目前我国在研究克隆国宝大熊猫方面已取得阶段性成果,而美国在2001年1月时,通过不同物种间体细胞核移植技术克隆成功世界上第1只濒危动物———一种原产于东南亚的白肢野牛(gaur),尽管它在两天后因感染了产荚膜的梭状芽胞杆菌死亡,与采取的克隆程序无关,这为人类挽救濒危动物通过了一条有效途径。克隆技术可以加快畜牧业品种改良的进程,人为决定优良品种的稳定遗传,并可人为控制性别,降低生产成本。如通过克隆牛可以使荷兰高产奶牛的优良品质延续下来。在克隆牛的性别控制方面,当要繁殖奶牛时,就克隆母的,要繁殖肉牛时,就克隆公牛,仅此一项就可使经济效益翻一番。克隆技术能够由培养细胞克隆后代,使转基因动物制作更简单有效,极大地推动了对有医疗价值的人源蛋白质的研究和发展。目前,一些国家的实验室正在研究利用带有人类凝血因子IX基因的克隆绵羊生产凝自因子IX,临床上用于治疗血友病和其他多种有用的蛋白质也可在转基因动物上表达,如乙肝疫苗、干扰素、白介素、造血生长因子等等。动物克隆技术另一格外引人注目的功能就是可以用来生产基因修饰的器官、组织,用于人类的器官移植。目前每年有成千上万的病人因为没有合适的器官供移植而死亡,因此动物器官被用于实验替代人器官作移植。其中猪的内脏和人相近,是较好的移植器官来源,目前国外刚刚诞生的经基因敲除的转基因克隆猪,已排除了猪的器官移植给人体发生排斥反应的这一历史性难题,为实现猪的器官移植给人迈出了坚实的一步。动物克隆技术还可用于生产大量人类基本的动物模型,以供实验研究。总之,高等哺乳动物的克隆成功对整个动物医学与生命科学具有极其重要的意义。高等动物克隆技术作为一项人类新的尖端技术以其诱人的商业前景吸引了许多跨国医药公司为克隆研究注入