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从克隆动物到修复生命
发布于2016/02/19   来源:科技日报

  作者:徐玢
  2002年,科学家与克隆出的小牛犊在一起。
  孙悟空拔下一撮毫毛,在嘴边一吹,立即变化出无数小孙悟空。这也许是中国人对“克隆”最早的想象。经过几代科学家的努力,这一想象已经变成现实。一个小小的细胞,就能复制出一个新的生命体,就能成为修复生命的希望。
  2009年7月23日,一只名叫“小小”的小鼠成为全球媒体关注的焦点。
  “小小”,籍贯中国,世界上用诱导多功能干细胞(iPS细胞)克隆出的第一批完整活体鼠之一。它的诞生,意味着在用克隆技术和干细胞修复生命的道路上,人类又向前迈进了一大步。而在它身后,是几十年来中国克隆技术从领先到奋起直追再到重新抢占先机的历程。
  金鱼核移殖:无意间的“克隆先驱”
  “多莉”也许是人们对“克隆”的最早记忆。
  “英国罗斯林研究所的科学家最近在《自然》杂志上撰文称,他们利用人工方法,将母绵羊乳腺细胞与未受精的去核羊卵母细胞结合,成功地发育成胚胎,植入母羊体内后,培育出新型克隆羊。”1997年2月28日的《科技日报》这样说。
  这也许是克隆技术第一次在公众面前亮相。但对中国科学家来说,这样的科学工作并不陌生。
  1956年,一间只有12人的实验室在中科院动物所大楼内成立——实验胚胎学实验室。实验室创始人童第周当时已是动物发育学的权威。细胞核和细胞质对遗传发育的作用,是他关心的问题。但他大概不会想到,这间小小实验室日后会成为我国动物克隆工作发源地,自己也被后人称作“克隆先驱”。
  “核移殖”,是“克隆”最初的名字。1938年首次由德国科学家施佩曼提出后,很快便成为国际科研热点,美国、瑞士等国家的科学家纷纷开始相关实验。“能不能用‘核移殖’来研究细胞质在遗传中的作用?”读到这些文章,童第周很快把这项技术与自己的研究领域结合起来。
  准备工作从1958年开始。由于实验条件有限,没有必要的操作仪器,童第周便嘱咐自己的弟子,后担任中科院发育生物学研究所所长的严绍颐“想想办法”。严绍颐在《童第周》一书中回忆道:由于搞“运动”,工作干干停停,一直摸索了两年多,才用土办法设计了进行细胞核移殖的简易装置。
  1960年,第一个以金鱼囊胚细胞和金鱼卵为材料的核移殖胚胎诞生。1963年7月,童第周和严绍颐等合作的论文《鱼类细胞核移殖》在《科学通报》发表。无意间,一项本是研究细胞质遗传功能的实验,揭开了我国动物克隆研究的序幕。
  此后,鱼类克隆的研究在中科院动物所、中科院武汉水生所、中国水产科学院长江水产研究所等地继续展开。哺乳动物克隆兴起时,又有更多科研院所迈入了这一前沿领域。老鼠、兔子、山羊、黄牛……各种动物被成功克隆的消息不断传来。1995年,西北农业大学获得45只胚胎克隆山羊,成为当时世界上最大的胚胎克隆羊群体。
  “登峰造极!”说起我国的动物胚胎细胞克隆,76岁的中科院动物所研究员陈大元如此评价。
  五里墩:小山村走出第一头克隆牛
  “多莉”打破了这样的局面。
  新型克隆羊,是当时媒体对“多莉”的称呼。所谓新型,即第一次由体细胞而非胚胎细胞核克隆得到。
  1997年春天,7个月的“多莉”向中国科学家宣告:你们落后了!
  令人焦虑的差距!
  次年,国家自然科学基金委设立重点支持项目,目标直指动物体细胞克隆。中科院动物所、扬州大学和中科院发育所,以及西北农业大学三个研究团队被确定共同完成这一项目。
  一切似乎进展顺利。1999年,我国第一只体细胞克隆山羊在扬州大学诞生。2000年,西北农业大学用体细胞克隆山羊成功。2002年,中科院动物所获得我国第一头体细胞克隆牛。
  一切又不是想象中的一帆风顺。项目首席科学家陈大元回忆,仅是找牛场这项工作,就颇费了一番功夫。第一年,中科院动物所与天津一家牛场合作。没几个月,牛染上传染病,实验不得不中止。第二年,实验地点换成安徽。牛很健康,但当地没有擅长胚胎移殖的技术人员。经人指点,第三年才找到了位于山东曹县城郊的中大动物胚胎中心。
  “要让科研人员知道哪里有牛场,在当时是难事。”陈大元说。而由于需要在现场进行细胞核移殖,科研人员把实验仪器搬到了曹县,又在屋里装上紫外灯,窗户前挂上厚厚的床单,改造出简易的无菌操作室。
  2002年,“多莉”已有5岁,“克隆”一词仍让中国人感到新鲜。当年1月,山东曹县的12头接受克隆胚胎移殖的奶牛进入预产期。之前克隆牛的工作一直未对外界公布,但陈大元赶到五里墩村时,已有十多名记者在那里守候了20多天。“到底什么时候生?”记者们追着问。
  2002年1月18日晚9时25分,我国第一头体细胞克隆牛“委委”落地。接下来的几天,陆续又有13头克隆牛出生。在那些日子,记者、科技人员把牛圈挤得满满当当,五里墩小乡村从此闻名于世。
  “傻瓜式”克隆:批量化复制高产奶牛
  克隆技术能为人类做些什么?“多莉”出生后,几乎每个生物学家都思考过这个问题。
  国际动物繁殖协会认为,动物克隆技术对于动物育种的革命性,远大于人工授精、胚胎移殖、试管动物三次技术变革的总和。克隆技术就如同复印机,可以让优秀基因毫无损耗地延续下去。
  1997年,美国成立Infigen Inc.公司,推进牛克隆技术在奶类、肉牛生产及医药等领域的产业化应用。克隆技术很快成为美国、日本等国家的投资热点。
  “为什么不能使克隆牛在中国实现产业化?”当时还在中国农业大学研究遗传育种的李宁开始思考这个问题。每头奶牛年均产奶量仅为世界优质奶牛的五分之一,国人对奶类消费逐年增高,高产奶牛成了稀缺品……这一切,都促使李宁转向新的研究方向。
  4年后,李宁带着国家863计划重点项目“体细胞克隆技术的试验和推广”奔赴河北唐山芦台农场。他要批量化“复制”高产奶牛,他要把克隆牛“赶出”实验室。
  李宁的研究计划分为三步:验证克隆的技术方法、寻找“傻瓜式”的廉价高效克隆方法、用批量转基因克隆的办法改良物种。
  “科研人员应该在实验室进行前沿研究,而克隆交给农户按照操作说明书就能完成。”这个想法在当时看来有些“前卫”,最初只吸引了不到10人加入团队。但很快,这种想法就获得共识。2002年4月,项目组的第一头克隆牛在芦台农场诞生,山东梁山的一家农场闻讯赶来,要求合作。批量化“复制”高产奶牛的想法吸引了他们。
  这样的共识不是少数。李宁的克隆基地很快扩展到30多家,研究团队也越来越大。不到8年时间,团队共克隆出500多头奶牛,克隆效率由最初的不到1%提高到现在的5%,设想中的“傻瓜”克隆步骤的研发也过大半。虽然这样的进度还远落后于李宁最初的计划,但他乐观地估计,最快2年,中国人就能喝上克隆牛产的奶。“在世界克隆产业化的舞台上,领先的第一团队中一定有中国人!”
  “小小”:接过了“多莉”的火炬
  2009年4月20日,北京生命科学研究所研究员高绍荣早早来到实验室,他要为一批孕鼠做生产手术。在这之前,高绍荣的项目组已成功获取可分化为各种组织细胞的iPS细胞,并注入三批雌鼠进行克隆实验。三次失败后,这天他没有失望,一只粉红色的小家伙蜷缩在孕鼠的子宫里。
  3个月后,高绍荣的名字出现在《细胞·干细胞》杂志。同一天,中国科学院动物所研究员周琪的名字出现在《自然》杂志。他们在各自的论文中宣布,中国的两个项目组分别首次利用iPS细胞,得到具有繁殖能力的活体小鼠,证明iPS细胞具有和胚胎干细胞同样的全能性。“小小”便是其中之一。
  小鼠的照片迅速登上众多媒体的头条。“多莉”的娘家——英国罗斯林研究所发育生物学部主任布鲁斯·怀特洛评论说,“小小”接过了“多莉”点燃的火炬!
  将克隆技术及随之兴起的干细胞技术用于修复生命,这几乎被科学家认为是克隆技术未来最有价值的应用。然而,由此带来的伦理问题,却让其应用前景不甚光明。
  曙光出现在2007年。当年11月,美国和日本科学家发现将人普通皮肤细胞转化为干细胞的方法,由此得到的干细胞称为iPS细胞。这意味着,人们有望绕过胚胎阶段和饱受争议的伦理问题,用iPS细胞直接获得医疗用的各类组织细胞。
  iPS研究的重要性不言自明。多个国家迅速展开相关研究。“多莉”之父威尔穆特也随即宣布放弃人类胚胎干细胞的研究而改投iPS门下。我国迅速加入了这股新的科研浪潮。“在这一新的研究领域,各国起点都差不多,我们有机会在这一领域赶超其他国家。”高绍荣说。
  两年间,iPS研究进展不断。科学家不断改善细胞培养办法,逐步验证iPS细胞在修复生命方面的多能性。而“小小”的降生,标志着我国科学家越过证明iPS细胞多能性的阶段,一举证明其“无所不能”。
  在将iPS细胞大规模应用于医疗前,还有很多事要做。iPS克隆动物的后代能健康么?有更安全的iPS细胞培养方法吗?这些都需要继续研究。但周琪希望,“小小”和它的同伴们为推动干细胞研究发展所迈出的这一小步,未来能成为再生医学发展的一大步。他说,“小小”的名字来自美国航天员阿姆斯特朗首次踏足月球时的那句名言:这是个人的一小步,却是人类的一大步。
  正是这一小步,让中国人又重新站在了克隆研究的国际最前沿,让世界克隆研究有了更加明朗的未来。
  亲历
  陈大元:
  争议中前行的大熊猫克隆
  “对大熊猫异种克隆,我还不死心。”
  1997年,“多莉”诞生的消息刚公布不久,中科院动物所研究员陈大元便提出了异种克隆大熊猫的想法,即将大熊猫的体细胞核与其他动物去核的卵母细胞结合,培养成胚胎,再植入代孕动物体内,待其自然分娩。陈大元希望通过这种方法帮助解决大熊猫自然繁殖率低的问题,挽救这一濒危物种。
  要实现大熊猫的异种克隆,第一个难题是取得大熊猫细胞。这一过程只能在大熊猫死后不久、细胞活性尚未消失时进行。陈大元获得的第一批大熊猫细胞来自福建。当时有一只大熊猫奄奄一息,福州大熊猫研究中心打来电话,通知陈大元立即去取细胞样本。“我们赶到时,那只大熊猫刚刚咽气几分钟。”陈大元回忆道。
  选择合适的代孕动物是大熊猫异种克隆中的第二个难题。最初,陈大元把大熊猫体细胞核,移植进去核的兔子卵母细胞,再把“杂交”的胚胎植入猫的子宫。为防止排异现象,还要把猫自己的受精胚胎也放进子宫,“迷惑”猫的免疫系统。但8只代孕母猫,有两只胚泡着床,没有一只生下熊猫仔。后来,陈大元又把“代孕妈妈”换成与熊猫生殖规律更接近的黑熊。经过三年实验,胚胎在黑熊子宫里只发育到早期胎儿就停止发育。这让陈大元很失望,不仅因为克隆未获成功,更是因为科研项目到期,实验无法继续。
  从1997年被提出,异种克隆大熊猫的想法就饱受争议。有人认为这不仅不能保护大熊猫,还会让这个日益脆弱的物种面临更加单一化的风险。对此陈大元认为,克隆大熊猫只是为了增加一种繁殖濒危动物的方法,而并非用克隆代替自然繁殖。“而且克隆只使用死去熊猫的细胞,怎么会对正常繁殖有影响呢?”
  在陈大元的办公室里,现在仍摆放着一张印有大熊猫克隆胚胎的展板。“对大熊猫异种克隆,我还不死心。”陈大元说,近几年课题组的小鼠实验表明,“内细胞团交换”方法可避免异种免疫排斥,让大熊猫胚胎在“代孕妈妈”的子宫内发育至足月。“这有望解决大熊猫异种克隆中的难题!”
  大事记
  上世纪60年代,生物学家童第周对金鱼进行细胞核移殖。这是我国有记录的第一次动物克隆实验。相关论文1963年发表于《科学通报》。
  1990年,西北农业大学用胚胎分割办法获得世界首批胚胎克隆山羊;1995年,该校连续完成五代动物胚胎细胞核移植,共获得克隆山羊45只,形成当时世界上最大的胚胎克隆羊群体。
  1999年,扬州大学与中国科学院动物所合作获得我国第一批体细胞克隆羊,共出生山羊12只,存活8只。
  2009年,获得世界首批诱导多功能干细胞(iPS细胞)克隆活体小鼠,首次证明iPS细胞的全能性。该工作由中国科学院与北京生命科学研究所分别独立完成,相关论文分别发表于《自然》和《细胞·干细胞》

 

 

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