动物克隆技术的研究进展

动物克隆技术的研究进展

前言

胚胎发育过程是核质之间、细胞与细胞及细胞与胞外基质按严格的时空秩序相互作用的结果。从全能或多能胚胎干细胞分化为具有独特功能的体细胞，完全取决于基因在时间与地点上的选择性表达。对细胞分化和发育来说，最重要的不是个别基因的表达，而是整个基因网络在时间和空间上的紧密联系和配合。组成包括人体在内的高等动物机体的亿万个细胞，都是由一个受精卵发育而来的。像胚胎干细胞一样，分化了的体细胞仍然具有一整套完整的遗传信息。过去人们认为，细胞的分化程度越高，它指导早期胚胎发育成新个体的能力就越低，高度分化的体细胞甚至完全不具备这种能力。近几年体细胞动物克隆技术上取得的突破，不仅给人们的观念带来了很大的改变，而且由于它所蕴藏的商业和社会价值，在全世界引起了轰动。

正文

一、克隆的概念

克隆一词是由clone音译而来，在音译名出现以前曾有一个意译名-无性繁殖系。克隆是指由一个细胞祖先经过分裂、增殖而形成的纯细胞系，这个细胞系中的每一个细胞含的遗传特性都是相同的，亦称为无性繁殖细胞系。单个细胞的无性繁殖细胞系叫克隆。动物体克隆是指将一个体细胞的细胞核转移植入去核卵中在母体子宫或其它环境中发育成新个体。

二、动物克隆的理论基础

在许多人眼里，体细胞克隆羊多莉(Dolly) 的诞生是克隆技术的开始。其实不然。“克隆(clone)”一词来源于希腊语，原意是用于扦插的枝条，也就是指无性繁殖。克隆在植物界的应用已有上千年的历史，理论上的突破则是本世纪的事。1902 年德国植物学家

Haberlandt指出，植物的体细胞具有母体全部的遗传信息，并具有发育成为完整个体的潜能，因而每个植物细胞都可像胚胎细胞那样，经离体培养再生成为完整植株。这就是所谓的细胞全能性。许多科学家为证实植物细胞的全能性作出了不懈的努力。1958 年，Steward成功地将一个胡萝卜细胞试管培养，长成了一株具有根、茎、叶等器官的完整植株。1964年Guha 和Maheshwari利用毛叶曼陀罗的花药培育出单倍体植株。这样，植物细胞全能性获得了充分的论证。建立在此基础上的组织培养技术也得到迅速发展。

与植物细胞不同，在动物发育过程中分化了的细胞不能再产生完整的充分分化的个体。然而，动物胚胎的生长、分化和发育是否造成体细胞基因组的不可逆性修饰，即在发育过程中分化了的细胞是否具有与受精卵相同的核等价性(nuclear equivalency) 或基因组连续性，一直是发育生物学要解决的问题。早在30 年代，著名的胚胎学家Spemann 就已经提出“分化了的细胞核移入卵子中能否指导胚胎发育”这样的设想。用两栖类动物进行的一些克隆实验表明，早期胚胎细胞核经移植可产生成熟的动物个体，而从蝌蚪及成体动物细胞中取出的细胞核经移植生成的克隆动物最晚只能发育至蝌蚪期。胚胎分割及胚胎细胞核移植克隆动物已在许多物种中获得了成功。体细胞克隆绵羊、小鼠、牛及山羊的成功，证明高度分化的细胞核仍具有全能性。

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。

三、克隆在医药领域的研究

1991年，英国PPL公司将人α1抗胰蛋白酶基因导入绵羊体内，得到了带有该基因的转基因绵羊。转基因绵羊能以泌乳的方式生产人α1 抗胰蛋白酶，产量达35g/l，这种羊奶的售价是6千美元/L，于是，转基因绵羊就变成了一个能生产药物的活工厂。

利用体细胞供体经核移植生产转基因动物，可望降低生产成本。到目前为止，产生转基因动物的方法仍主要是1985年Hammer等建立的原核显微注射法；但是，这种方法只能使大约5％的动物携带外源基因，外源基因整合人动物基因组是个随机的过程，这导致外源基因在许多转基因动物系中的表达量不够高，而且因整合进生殖细胞的机率低而难以遗传给下一代。Schnieke等发现，利用体细胞克隆技术生产含人凝血因子IX的转基因羊比原核显微注射法要有效得多。

四、克隆人类胚胎进行疾病治疗的研究

各国科学家都希望抢先成为克隆人类胚胎的第一人，以显示本国在克隆技术上独占鳌头，企图在各国正式立法禁止复制人类胚胎之前创造奇迹。创造克隆羊"多利"的科学家威尔穆特目前正在美国格林公司的支持下开展克隆人类胚胎计划，以用于干细胞研究工作。根据在关研究工作。根据有关研究计划，科学家们会先将一颗受精的卵子的细胞核植入卵子内，复制出在基因物质上一模一样的人类胚胎。然后，在胚胎发展成胎儿之前就将其破坏，以获得研究所需的干细胞。所谓干细胞是人类发育过程中最关键亦最根本的细胞，这种细胞在成长过程中会逐步分化成人体内各种器官的细胞，可称得上是"人类所有器官组织之母"。通过研究它们的发展过程及功能，科学家便可进一步了解人体器官组织，以找出修补缺损的脑部和其他器官、或治疗帕金森氏病及老年性痴呆等导致身体机能失调的疾病的有效方法。

另外，利用克隆技术，可以用患者本人细胞培育出新组织，用来治疗糖尿病、帕金森氏症、神经损伤等多种疾病同。用这种方法培育出的组织具有与患者正常组织完全相同的基因构成，因此不会产生免疫排反应。但是这些都涉及到克隆人这个敏感话题，目前克隆人在许多国家是法制禁止的。随着人类胚胎干细胞培养技术的完善，目前已有两家美国公司开始研究利用克隆技术培育人胚胎，希望大批量生产治疗疾病的干细胞。英国下院最近也通过一项法案，容许科学家进行"治疗性研究克隆"，即容许克隆人类早期胚胎进行医疗研究。

五、克隆在动物良种繁育和特异品种保存方面的研究

利用优良动物品种的体细胞作核供体克隆动物，可以避免自然条件下选种所受到的动物生育周期和生育效率的限制，从而大大缩短育种年限，提高育种效率，保持单性优良品性。

动物的良种保存，常采取选留雄性良种动物的方式来进行，尽管我们选择的优良性状（如产奶量、产蛋量等）是由雌性动物体现出来的，但有性生殖与双亲有关；而一个雄性动物可以与多个雌性动物交配，所以，动物良种繁育中选育雄性动物极为重要。但由良种雄性动物伟代，其后代个体并非个个都是优良，这一方面是由于母体差异造成；另一方面由于减数分裂，可能有一半的精子并未携带优良基因，只有克隆技术才能将具有优良性状的个体，像果树嫁接一样繁殖下去。专家预言：二十一世纪是克隆世纪，具优良状的猪、马、牛、羊都将在工厂里由电脑控制着被克隆生产出来。

动物克隆技术用于拯救濒危动物也受到广泛的关注。目前，濒危物种面临的主要危机是繁殖能力低下，由于繁殖力低，数量难以增长，生存领域无法扩大；而生存环境的单一，又使得该物种对环境变化冲击的应变能力差。所以，大量繁殖濒危物种是保护该物种的最有效办法，而克隆技术可以克服自然条件下该物种交配成功率低的困难，使之大量繁衍。

结论

动物克隆近几年取得的一些突破性进展，为动物发育过程中基因表达的调控及发育生物学、遗传学等相关学科的发展必将产生深远的影响。虽然目前这种方法尚不成熟，但它已显示出诱人的应用前景。

利用这一技术可以在抢救珍奇濒危动物、复制优良家畜个体、扩大良种动物群体、提高畜群遗传素质和生产性能、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。

动物克隆技术将首先应用于医药领域。利用体细胞供体经核移植生产转基因动物，可望降低生产成本。克隆技术除了可以生产各种医用人体蛋白外，对人类的细胞和组织治疗也大

有好处。利用克隆技术，可以用患者本人细胞培育出新组织，用来治疗糖尿病、帕金森氏症、神经损伤等多种疾病。用这种方法培育出的组织具有与患者正常组织完全相同的基因构成，因此不会产生免疫排斥反应。但是这些都涉及到克隆人这个敏感话题，目前克隆人在许多国家是法律禁止的。随着人类胚胎干细胞培养技术的完善，目前已有两家美国公司开始研究利用克隆技术培育人胚胎，希望大批量生产治疗疾病的干细胞。事实上，几年前人们就曾把人胎儿神经组织用来治疗帕金森氏症。考虑到伦理上的原因，人们也可以用克隆动物的胚胎干细胞作异源移植，以解决人类移植器官供求矛盾。

动物克隆技术还有助于加速动物育种的进程。利用优良动物品种的体细胞作核供体克隆动物，可以避免自然条件下选种所受到的动物生育周期和生育效率的限制，从而大大缩短育种年限，提高育种效率。动物克隆技术用于拯救濒危动物也受到广泛的关注。中国科学院动物研究所陈大元研究员提出用动物克隆技术拯救大熊猫的计划，在国内外均引起一定的反响。

展望

综上所述，哺乳动物体细胞克隆研究已在理论基础、技术优化及实际应用等方面取得很大的进展。但该技术目前还很不完善，相关理论研究还很薄弱，要提高动物克隆的成功率仍需不懈的努力。另外，克隆动物与正常胚胎的发育有何异同，也值得深入研究。这些问题的解决，将有助于加深人们对动物胚胎发育过程中分子机制的进一步认识。治疗性克隆真正应用与实践还有待于相关技术的提高和完善。