克隆技術(shù)研究現(xiàn)狀

一、克隆的早期研究
克隆一詞是英文單詞clone的音譯，作為名詞，c1one通常被意譯為無性繁殖系。同一克隆內(nèi)所有成員的遺傳構(gòu)成是完全相同的，例外僅見于有突變發(fā)生時。自然界早已存在天然植物、動物和微生物的克隆，例如：同卵雙胞胎實際上就是一種克隆。然而，天然的哺乳動物克隆的發(fā)生率極低，成員數(shù)目太少（一般為兩個），且缺乏目的性，所以很少能夠被用來為人類造福，因此，人們開始探索用人工的方法來生產(chǎn)高等動物克隆。這樣，克隆一詞就開始被用作動詞，指人工培育克隆動物這一動作。
目前，生產(chǎn)哺乳動物克隆的方法主要有胚胎分割和細胞核移植兩種。克隆羊“多莉”，以及其后各國科學家培育的各種克隆動物，采用的都是細胞核移植技術(shù)。所謂細胞核移植，是指將不同發(fā)育時期的胚胎或成體動物的細胞核，經(jīng)顯微手術(shù)和細胞融合方法移植到去核卵母細胞中，重新組成胚胎并使之發(fā)育成熟的過程。與胚胎分割技術(shù)不同，細胞核移植技術(shù)，特別是細胞核連續(xù)移植技術(shù)可以產(chǎn)生無限個遺傳相同的個體。由于細胞核移植是產(chǎn)生克隆動物的有效方法，故人們往往把它稱為動物克隆技術(shù)。
采用細胞核移植技術(shù)克隆動物的設(shè)想，最初由漢斯·施佩曼在1938年提出，他稱之為“奇異的實驗”，即從發(fā)育到后期的胚胎（成熟或未成熟的胚胎均可）中取出細胞核，將其移植到一個卵子中。這一設(shè)想是現(xiàn)在克隆動物的基本途徑。
從1952年起，科學家們首先采用青蛙開展細胞核移植克隆實驗，先后獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年，我國童第周教授領(lǐng)導的科研組，首先以金魚等為材料，研究了魚類胚胎細胞核移植技術(shù)，獲得成功。
哺乳動物胚胎細胞核移植研究的最初成果在1981年取得——卡爾·伊爾門澤和彼得·霍佩用鼠胚胎細胞培育出發(fā)育正常的小鼠。1984年，施特恩·維拉德森用取自羊的未成熟胚胎細胞克隆出一只活產(chǎn)羊，其他人后來利用牛、豬、山羊、兔和獼猴等各種動物對他采用的實驗方法進行了重復實驗。1989年，維拉德森獲得連續(xù)移核二代的克隆牛。1994年，尼爾·菲爾斯特用發(fā)育到至少有120個細胞的晚期胚胎克隆牛。到1995年，在主要的哺乳動物中，胚胎細胞核移植都獲得成功，包括冷凍和體外生產(chǎn)的胚胎；對胚胎干細胞或成體干細胞的核移植實驗，也都做了嘗試。但到1995年為止，成體動物已分化細胞核移植一直未能取得成功。

二、克隆羊“多莉”的意義和引起的反響
以上事實說明，在1997年2月英國羅斯林研究所維爾穆特博士科研組公布體細胞克隆羊“多莉”培育成功之前，胚胎細胞核移植技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展。實際上，“多莉”的克隆在核移植技術(shù)上沿襲了胚胎細胞核移植的全部過程，但這并不能減低“多莉”的重大意義，因為它是世界上第一例經(jīng)體細胞核移植出生的動物，是克隆技術(shù)領(lǐng)域研究的巨大突破。這一巨大進展意味著：在理論上證明了，同植物細胞一樣，分化了的動物細胞核也具有全能性，在分化過程中細胞核中的遺傳物質(zhì)沒有不可逆變化；在實踐上證明了，利用體細胞進行動物克隆的技術(shù)是可行的，將有無數(shù)相同的細胞可用來作為供體進行核移植，并且在與卵細胞相融合前可對這些供體細胞進行一系列復雜的遺傳操作，從而為大規(guī)模復制動物優(yōu)良品種和生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物提供了有效方法。
在理論上，利用同樣方法，人可以復制“克隆人”，這意味著以往科幻小說中的獨裁狂人克隆自己的想法是完全可以實現(xiàn)的。因此，“多莉”的誕生在世界各國科學界、政界乃至宗教界都引起了強烈反響，并引發(fā)了一場由克隆人所衍生的道德問題的討論。各國政府有關(guān)人士、民間紛紛作出反應：克隆人類有悖于倫理道德。盡管如此，克隆技術(shù)的巨大理論意義和實用價值促使科學家們加快了研究的步伐，從而使動物克隆技術(shù)的研究與開發(fā)進入一個高潮。

三、近3年來克隆研究的重要成果
克隆羊“多莉”的誕生在全世界掀起了克隆研究熱潮，隨后，有關(guān)克隆動物的報道接連不斷。1997年3月，即“多莉”誕生后1個月，美國、中國臺灣和澳大利亞科學家分別發(fā)表了他們成功克隆猴子、豬和牛的消息。不過，他們都是采用胚胎細胞進行克隆，其意義不能與“多莉”相比。同年7月，羅斯林研究所和PPL公司宣布用基因改造過的胎兒成纖維細胞克隆出世界上第一頭帶有人類基因的轉(zhuǎn)基因綿羊“波莉”（Polly）。這一成果顯示了克隆技術(shù)在培育轉(zhuǎn)基因動物方面的巨大應用價值。
1998年7月，美國夏威夷大學Wakayama等報道，由小鼠卵丘細胞克隆了27只成活小鼠，其中7只是由克隆小鼠再次克隆的后代，這是繼“多莉”以后的第二批哺乳動物體細胞核移植后代。此外，Wakayama等人采用了與“多莉”不同的、新的、相對簡單的且成功率較高的克隆技術(shù)，這一技術(shù)以該大學所在地而命名為“檀香山技術(shù)”。
此后，美國、法國、荷蘭和韓國等國科學家也相繼報道了體細胞克隆牛成功的消息；日本科學家的研究熱情尤為驚人，1998年7月至1999年4月，東京農(nóng)業(yè)大學、近畿大學、家畜改良事業(yè)團、地方（石川縣、大分縣和鹿兒島縣等）家畜試驗場以及民間企業(yè)（如日本最大的奶商品公司雪印乳業(yè)等）紛紛報道了，他們采用牛耳部、臀部肌肉、卵丘細胞以及初乳中提取的乳腺細胞克隆牛的成果。至1999年底，全世界已有6種類型細胞——胎兒成纖維細胞、乳腺細胞、卵丘細胞、輸卵管／子宮上皮細胞、肌肉細胞和耳部皮膚細胞的體細胞克隆后代成功誕生。
2000年6月，中國西北農(nóng)林科技大學利用成年山羊體細胞克隆出兩只“克隆羊”，但其中一只因呼吸系統(tǒng)發(fā)育不良而早夭。據(jù)介紹，所采用的克隆技術(shù)為該研究組自己研究所得，與克隆“多莉”的技術(shù)完全不同，這表明我國科學家也掌握了體細胞克隆的尖端技術(shù)。
在不同種間進行細胞核移植實驗也取得了一些可喜成果，1998年1月，美國威斯康星一麥迪遜大學的科學家們以牛的卵子為受體，成功克隆出豬、牛、羊、鼠和獼猴五種哺乳動物的胚胎，這一研究結(jié)果表明，某個物種的未受精卵可以同取自多種動物的成熟細胞核相結(jié)合。雖然這些胚胎都流產(chǎn)了，但它對異種克隆的可能性作了有益的嘗試。1999年，美國科學家用牛卵子克隆出珍稀動物盤羊的胚胎；我國科學家也用兔卵子克隆了大熊貓的早期胚胎，這些成果說明克隆技術(shù)有可能成為保護和拯救瀕危動物的一條新途徑。

四、克隆技術(shù)的應用前景
克隆技術(shù)已展示出廣闊的應用前景，概括起來大致有以下四個方面：（1）培育優(yōu)良畜種和生產(chǎn)實驗動物；（2）生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物；（3）生產(chǎn)人胚胎干細胞用于細胞和組織替代療法；（4）復制瀕危的動物物種，保存和傳播動物物種資源。以下就生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因動物和胚胎干細胞作簡要說明。
轉(zhuǎn)基因動物研究是動物生物工程領(lǐng)域中最誘人和最有發(fā)展前景的課題之一，轉(zhuǎn)基因動物可作為醫(yī)用器官移植的供體、作為生物反應器，以及用于家畜遺傳改良、創(chuàng)建疾病實驗模型等。但目前轉(zhuǎn)基因動物的實際應用并不多，除單一基因修飾的轉(zhuǎn)基因小鼠醫(yī)學模型較早得到應用外，轉(zhuǎn)基因動物乳腺生物反應器生產(chǎn)藥物蛋白的研究時間較長，已進行了10多年，但目前在全世界范圍內(nèi)僅有2例藥品進入3期臨床試驗，5～6個藥品進入2期臨床試驗；而其農(nóng)藝性狀發(fā)生改良、可資畜牧生產(chǎn)應用的轉(zhuǎn)基因家畜品系至今沒有誕生。轉(zhuǎn)基因動物制作效率低、定點整合困難所導致的成本過高和調(diào)控失靈，以及轉(zhuǎn)基因動物有性繁殖后代遺傳性狀出現(xiàn)分離、難以保持始祖的優(yōu)良勝狀，是制約當今轉(zhuǎn)基因動物實用化進程的主要原因。
體細胞克隆的成功為轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)掀起一場新的革命，動物體細胞克隆技術(shù)為迅速放大轉(zhuǎn)基因動物所產(chǎn)生的種質(zhì)創(chuàng)新效果提供了技術(shù)可能。采用簡便的體細胞轉(zhuǎn)染技術(shù)實施目標基因的轉(zhuǎn)移，可以避免家畜生殖細胞來源困難和低效率。同時，采用轉(zhuǎn)基因體細胞系，可以在實驗室條件下進行轉(zhuǎn)基因整合預檢和性別預選。在核移植前，先把目的外源基因和標記基因（如LagZ基因和新霉素抗生基因）的融合基因?qū)�入培養(yǎng)的體細胞中，再通過標記基因的表現(xiàn)來篩選轉(zhuǎn)基因陽性細胞及其克隆，然后把此陽性細胞的核移植到去核卵母細胞中，最后生產(chǎn)出的動物在理論上應是100％的陽性轉(zhuǎn)基因動物。采用此法，Schnieke等（Bio Report，1997）已成功獲得6只轉(zhuǎn)基因綿羊，其中3只帶有人凝血因子IX基因和標記基因（新霉素抗性基因），3只帶有標記基因，目的外源基因整合率高達50％。Cibelli（Science，1997）同樣利用核移植法獲得3頭轉(zhuǎn)基因牛，證實了該法的有效性。由此可以看出，當今動物克隆技術(shù)最重要的應用方向之一，就是高附加值轉(zhuǎn)基因克隆動物的研究開發(fā)。
胚胎干細胞（ES）是具有形成所有成年細胞類型潛力的全能干細胞�？茖W家們一直試圖誘導各種干細胞定向分化為特定的組織類型，來替代那些受損的體內(nèi)組織，比如把產(chǎn)生胰島素的細胞植入糖尿病患者體內(nèi)�？茖W家們已經(jīng)能夠使豬ES細胞轉(zhuǎn)變?yōu)樘鴦拥男募〖毎�，使人ES細胞生成神經(jīng)細胞和間充質(zhì)細胞和使小鼠ES細胞分化為內(nèi)胚層細胞。這些結(jié)果為細胞和組織替代療法開辟了道路。目前，科學家已成功分離到人ES細胞（Thomson等1998，Science），而體細胞克隆技術(shù)為生產(chǎn)患者自身的ES細胞提供了可能。把患者體細胞移植到去核卵母細胞中形成重組胚，把重組胚體外培養(yǎng)到囊胚，然后從囊胚內(nèi)分離出ES細胞，獲得的ES細胞使之定向分化為所需的特定細胞類型(如神經(jīng)細胞，肌肉細胞和血細胞），用于替代療法。這種核移植法的最終目的是用于干細胞治療，而非得到克隆個體，科學家們稱之為“治療克隆”。
克隆技術(shù)在基礎(chǔ)研究中的應用也是很有意義的，它為研究配子和胚胎發(fā)生，細胞和組織分化，基因表達調(diào)控，核質(zhì)互作等機理提供了工具。

五、克隆技術(shù)存在的問題
盡管克隆技術(shù)有著廣泛的應用前景，但離產(chǎn)業(yè)化尚有很大距離。因為作為一個新興的研究領(lǐng)域，克隆技術(shù)在理論和技術(shù)上都還很不成熟，在理論上，分化的體細胞克隆對遺傳物質(zhì)重編（細胞核內(nèi)所有或大部分基因關(guān)閉，細胞重新恢復全能性的過程）的機理還不清楚；克隆動物是否會記住供體細胞的年齡，克隆動物的連續(xù)后代是否會累積突變基因，以及在克隆過程中胞質(zhì)線粒體所起的遺傳作用等問題還沒有解決。
在實踐中，克隆動物的成功率還很低，維爾穆特研究組在培育“多莉“的實驗中，融合了277枚移植核的卵細胞，僅獲得了“多莉”這一只成活羔羊，成功率只有 0.36％，同時進行的胎兒成纖維細胞和胚胎細胞的克隆實驗的成功率也分別只有1.7％和1.1％，即使是使用“檀香山”技術(shù)，以分化程度較低的卵丘細胞為核供體，其成功率也只有百分之幾。
此外，生出的部分個體表現(xiàn)出生理或免疫缺限。以克隆牛為例，日本、法國等國培育的許多克隆牛在降生后兩個月內(nèi)死去；到2000年2月，日本全國已共有 121頭體細胞克隆牛誕生，但存活的只有64頭。觀察結(jié)果表明，部分犢牛胎盤功能不完善，其血液中含氧量及生長因子的濃度都低于正常水平；有些牛犢的胸腺、脾和淋巴腺未得到正常發(fā)育；克隆動物胎兒普遍存在比一般動物發(fā)育快的傾向，這些都可能是死亡的原因。
即使是正常發(fā)育的“多莉”，也被發(fā)現(xiàn)有早衰跡象。染色體的未端被稱為端粒，它決定著細胞能夠分裂的次數(shù)：每一次分裂端粒都會縮短，而當端粒耗盡后細胞就失去了分裂能力。1998年，科學家發(fā)現(xiàn)“多莉”的細胞端粒比正常的要短，即其細胞處于更衰老的狀態(tài)。當時認為，這可能是用成年綿羊的細胞克隆“多莉”造成的，使其細胞具有成年細胞的印記，但這一解釋目前受到了挑戰(zhàn)，美國馬薩諸塞州的醫(yī)生羅伯特·蘭扎等用培養(yǎng)的衰老細胞克隆牛，得到6頭小牛，出生5～10個月后發(fā)現(xiàn)這些克隆牛的端粒比普通同齡小牛要長，有的甚至比普通新生小牛的端粒還長�，F(xiàn)在還不清楚這一現(xiàn)象的原因，也不清楚為何與“多莉“的情況有巨大差別。但這一實驗說明，在一些情況下克隆過程能改變成熟細胞的分子鐘，使其“恢復青春”，關(guān)于這種變化對克隆動物壽命的影響，還有待于進一步觀察。
除了以上的理論和技術(shù)障礙外，克隆技術(shù)（尤其是在人胚胎方面的應用）對倫理道德的沖擊和公眾對此的強烈反應也限制了克隆技術(shù)的應用。但幾年來克隆技術(shù)的發(fā)展表明，世界各科技大國都不甘落后，誰也沒有放棄克隆技術(shù)研究。這一點上英國政府的態(tài)度非常具有代表性，在1997年2月底宣布中止對“多莉”研究小組投資后不到1個月，英國科技委員會就對克隆技術(shù)發(fā)表專題報告，表明英國政府將重新考慮這一決定，認為盲目禁止這方面的研究并不是明智之舉，關(guān)鍵在于建立一定的規(guī)范利用它為人類造福。
摘自《世界農(nóng)業(yè)》