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看过《西游记》的人,一定不会忘记孙悟空“拔毛变猴”的特异本领.《西游记》中,孙悟空在与妖魔鬼怪对阵时,常常从身上拔下一根毫毛,吹口气,随即变出上百只一模一样的小孙悟空.现在,这个看似遥不可及的神话正在成为现实—2017 年11 月27 日,世界上首个体细胞克隆猴“中中”在我国诞生；同年12 月5 日,第二个体细胞克隆猴“华华”又“横空出世”.2018 年1 月25 日,它们的故事登上国际权威学术期刊《细胞》封面,这意味着中国科学家成功突破了现有技术无法克隆灵长类动物的世界难题.现在,这两只时而吐着舌头,时而着手指卖萌、翻滚、玩耍的克隆小猴正生活在中国科学院神经科学研究所内,它们被小心看护着,享受着国宝级的待遇.
神奇的体细胞克隆技术
“中中”和“华华”之所以出名,因为它们是采用体细胞克隆技术生产的小宝宝,所以本文首先介绍一下什么是体细胞克隆技术.
体细胞是一个相对于生殖细胞的概念.它是一类细胞,这类细胞的特点是：遗传信息不会像生殖细胞那样遗传给下一代.高等生物的细胞除了精子和卵细胞以及它们的母细胞之外,差不多都是体细胞.体细胞遗传信息的改变不会对下一代产生影响.
体细胞是执行特殊功能的,比如红细胞是执行运送氧气功能的,免疫细胞是执行免疫防御功能的,它们都不具有发育的特性.但是,有部分体细胞可以在体外进行培养,实现无限增殖,进而得到无数的体细胞.体细胞克隆技术用的就是这种细胞.
1997 年,首个体细胞克隆动物“多莉”羊出生；随后,利用体细胞克隆技术不仅诞生出包括马、牛、羊、猪和骆驼等在内的大型家畜,还诞生了包括小鼠、大鼠、兔、猫和狗在内的多种实验动物.但是,与人类最为相近的非人灵长类动物的体细胞克隆是个难题,一直没有攻克.
让我们看看“ 多莉” 的出生过程吧：从芬兰多塞特母绵羊的乳腺中取出乳腺细胞,将其放入低浓度的营养培养液中,细胞逐渐停止了分裂,此细胞称之为供体细胞；给一头苏格兰黑面母绵羊注射促性腺素,促使它排卵,取出未受精的卵细胞,并立即将其细胞核除去,留下一个无核的卵细胞,此细胞称之为受体细胞；利用电脉冲的方法,使供体细胞和受体细胞发生融合,最后形成了融合细胞；由于电脉冲还可以产生类似于自然受精过程中的一系列反应, 使融合细胞也能像受精卵一样进行细胞分裂、分化,从而形成胚胎细胞；将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊的子宫内,胚胎细胞进一步分化和发育,最后形成一只小绵羊.出生的“多莉”小绵羊与多塞特母绵羊具有完全相同的外貌.
克隆猴为什么这样难
“ 体细胞克隆” 第一次露面是在21 年前,英国科学家伊恩·威尔穆特成功克隆出体细胞羊“多莉”,打开了生命科学研究的一扇新窗户.20多年过去,尽管一些国家的知名研究机构一直探索和尝试,结果只是利用体细胞技术克隆出了牛、羊、猪、猫、狗等哺乳动物, 一直没有克隆与人类接近的灵长类动物.美国科学家舒克拉特·米塔利波夫在21 世纪前10 年尝试克隆猴时,使用了15000 多个猴卵,结果是胎死腹中,没能成功克隆出一只猴子.最接近成功的一次实验是在2010 年,美国俄勒冈灵长类研究中心成功移植了克隆猴胚胎,但胚胎发育至81 天时以流产告终.因此,国际上不少专家一度认为“灵长类动物的体细胞克隆”是不可能突破的.例如,2003 年,美国学者曾在《科学》杂志发文预测,用现有技术克隆灵长类动物“行不通”.
为什么克隆猴这样难？主要原因有两个：⑴ 供体细胞核在受体卵母细胞中的不完全重编程导致胚胎发育率低；⑵ 非人灵长类动物胚胎操作技术尚不完善,加上受体的卵母细胞数量有限,使克隆猴的成活率很低.这两方面因素叠加致使非人灵长类动物体细胞克隆屡屡失败.
以中科院神经科学研究所研究员孙强、博士后刘真为主的团队历时5 年,克服了种种困难,终于突破了这个生物学上的前沿难题.
与过去直接采用成年活体细胞的做法不同,中国团队采用的是猴胎儿细胞的DNA 与卵子相结合.具体而言,在研究中,对于融合细胞的细胞核来源,研究人员设计了两组实验,一组利用来自于流产产生的胎猴纤维组织母细胞, 另一组是利用成年猴子的卵丘细胞.结果在第一组实验中,21只母猴中的6 只成功怀孕,最终生下了2 只健康的猴子,它们就是“中中”和“华华”.
在另一组研究中,42 只母猴中有22 只成功怀孕,最后也有2 只猴子出生, 可惜的是, 它们在短暂存活后死亡.实际上,来源细胞的年龄越大,越难进行克隆,而且克隆出的胚胎也越容易流产.
为了克服体细胞重编程过程中的很多表观遗传修饰障碍,需要对体细胞克隆技术进行优化.孙强小组能够获得成功,除了他们进行各种体细胞克隆技术的实验和摸索外,也离不开科学家近年来对克隆胚胎重编程机制的研究.孙强团队在克隆猴的过程中利用这些成果,大大优化了克隆方法,最终获得成功.
在体细胞克隆技术的优化过程中,技术操作的娴熟也是取得成功的另一个重要原因.操作技术越快,卵细胞受损越小,成功概率就越高.以胚胎操作为例,作为受体的卵母细胞, 必须先把其细胞核“ 摘除”,才能容纳“外来户”( 体细胞的细胞核) 进来与它融合.但与其他动物不同的是,猴子的卵母细胞不透明,“去核”操作非常困难.为了能在“去核”过程中做到快速准确,减少对卵母细胞的损害,刘真博士苦练技术好几年,最终娴熟到平均10 秒之内对卵母细胞进行细胞去核操作,在15 秒之内将体细胞注入到卵母细胞当中,成为这个领域的“世界冠军”.
重要意义
1. 突破克隆猴世界性难题
从“多莉”羊出生后至今20 多年,各国科学家都在尝试灵长类克隆,但是始终没有成功,很多都是克隆动物在胚胎阶段后期就死亡了.这次中国科学家不仅取得了成功,而且用的是体细胞克隆,技术含量要超过生殖细胞克隆.所以,这项技术是中国科学界实现的一个重大突破.
2. 开启以猕猴作为实验动物模型的时代
克隆非人灵长类动物的唯一目的就是服务人类健康.体细胞克隆猴的成功,不仅在科学上证实了猕猴可以用体细胞来克隆,更重要的是,它可以使猕猴成为“真正有用”的动物模型,来帮助理解人的大脑,开发治疗人类疾病的新疗法.众所周知, 在进行生物学、医学、药物研究时,最重要的是选用的动物模型.现在进行这些研究时,通常用的是小鼠模型.由于鼠与人的生理结构和功能相差太大,得出的结果也与人有很大差别,只能作为参考.例如,通过鼠模型筛选出来的药物,在人体实验时大多没有效果或有副作用.这不仅造成时间、经费、人力上的巨大损失,也使人对实验结果和药物的疗效持怀疑态度, 必须后期经过实践或人体实验才能得出正确的结论.
灵长类动物与人类最为接近,是生理学、医学、药理学实验最好的动物模型.以前自然繁殖时,需要等猴性成熟、交配、繁殖后才能得到实验用猴,这个周期一般要5 年之久；而且自然繁殖获得的猴群,其个体基因千差万别,而非像克隆猴一样“整齐划一”,每个实验需要很多的猴,才能得出令人较满意的结果.猕猴是很贵的动物,高昂的实验经费,使大多数研究课题不得不用鼠做实验,得出的是说服力不强的结果.
克隆猴的出生,开启了以猕猴作为实验动物模型的新时代.克隆猴的遗传背景完全相同,这让它们成为了非常完美的实验动物和动物模型.也就是说,克隆猴提供了完美、统一的参照物,因为它们是一致的.当使用这些克隆猴作为实验对象时,与自然繁殖的猴群相比,前者因为人为引入的干扰因素更少,得出的实验结果更可靠.对于医药工业和人类疾病研究来说,这最大程度地减小了实验误差.体细胞克隆技术可以使神经科学、生殖健康、恶性肿瘤等很多疾病研究取得新突破.比如,利用脑疾病模型猴,可以为脑疾病的机理研究、干预、诊治带来前所未有的光明前景.
体细胞克隆猴可以让人类快速获得基因完全相同的猴群, 包括在基因上特殊的猴群.克隆猴的遗传背景完全相同,是非常完美的实验动物模型,可以最大程度地减少实验动物,减小实验误差,得出的实验结果更可靠.例如,目前的帕金森病实验一般需要几百只猴子,如果用克隆猴,可能10 只就够了.
此外,基因编辑的克隆猴模型将为脑疾病、免疫缺陷、肿瘤和代谢紊乱等疾病研究和药物、生理、物理治疗新手段研发提供有效工具.基因型一致的克隆猴还能够大力推进脑科学前沿基础研究.这对于神经科学来说,是一个再好不过的消息.很多基因,比如导致阿尔兹海默病、帕金森病、孤独症的基因,在猴子身上体现的症状与人类是很相近的.有了灵长类克隆技术,我们就可以一段一段地编辑猴子基因,来确定哪些基因导致了这些症状,又如何修补这些基因以治疗这些疾病.我们有理由相信,人类对疑难的脑疾病、代谢性疾病、肿瘤等将不再束手无策.
3. 带来一个完整的产业链
猕猴是与人类最相近的、被科研*规范所允许的非人灵长类动物.中国猕猴、食蟹猴的存栏量目前约30万只,每年大量养殖猕猴出口到海外.该团队攻克的克隆技术有望催生一个新的产业链.
建立于1929 年的美国杰克森实验室,是全球最大的模式动物研发基地和销售公司,为国际生物医学界培养并出售7000 多种基因编辑小鼠品系.当体细胞克隆猴技术成熟后,未来,我国也可建成以非人灵长类动物为模型的主要研发基地和产业链.鉴于灵长类动物研究的前景,上海市正在规划建立国际灵长类动物研究中心,预计将在未来几个月内正式公布.该中心将为全球科学家培育克隆动物.
4. 克隆技术的突破还有望加强的保护
一些灵长类动物,例如金丝猴,是濒危珍稀保护动物.掌握了克隆猴技术,我们只要能够找到合适的母体接受金丝猴克隆胚胎,就可以为世界各地动物园提供来自中国的珍贵金丝猴.
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