從克隆猴到基因編輯猴

湯波

2018年1月25日，一則爆炸性新聞覆蓋國(guó)內(nèi)外各大主流媒體，更是刷爆微信朋友圈——世界首批體細(xì)胞克隆猴“中中”和“華華”在中國(guó)誕生。這一近20年沒(méi)能攻破的世界性難題，被中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所孫強(qiáng)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年一舉拿下。克隆猴的研究論文發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上，這一成果也被譽(yù)為“世界級(jí)重大突破”，有人甚至將其與世界第一只體細(xì)胞克隆哺乳動(dòng)物——“多莉”綿羊相提并論。更為重要的是，體細(xì)胞克隆猴的誕生將為規(guī)模化研制轉(zhuǎn)基因猴和基因編輯猴提供便利，對(duì)研究人類神經(jīng)疾病致病機(jī)理和篩選新藥，都具有重大的意義。

克隆羊最有名

1997年2月22日，世界各大媒體爭(zhēng)相報(bào)道一只名叫“多莉”的綿羊。這只綿羊非比尋常，它竟然不是由受精卵發(fā)育而來(lái)的，而是依靠3只母羊。

原來(lái)，科學(xué)家從一只6歲芬蘭白面母綿羊的乳腺中取出乳腺上皮細(xì)胞，將細(xì)胞核從細(xì)胞質(zhì)中分離出來(lái)，同時(shí)從一頭蘇格蘭黑面母綿羊的卵巢中取出未受精的卵細(xì)胞，并立即去除其細(xì)胞核，然后將白面母羊的乳腺上皮細(xì)胞核移植到去核的蘇格蘭黑面母羊卵細(xì)胞中，采用電擊刺激，使它重組細(xì)胞復(fù)活并開(kāi)始分裂，繼而發(fā)育成胚胎，然后又移植到另一只代孕母羊子宮內(nèi)，“多莉”綿羊就這樣誕生了。這一過(guò)程正是體細(xì)胞克隆，“多莉”也成為世界上第一只體細(xì)胞克隆的哺乳動(dòng)物。

克隆綿羊“多莉”的誕生，打破了人們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)局限。傳統(tǒng)的生物學(xué)教科書告訴我們，動(dòng)物體包括體細(xì)胞和性細(xì)胞，性細(xì)胞只有兩種，分別是精子和卵細(xì)胞，只有精卵結(jié)合為受精卵，才可能形成胚胎，再造生命。而體細(xì)胞則多種多樣，都是已高度分化的細(xì)胞，包括神經(jīng)細(xì)胞、免疫細(xì)胞、血紅細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和皮膚細(xì)胞等。體細(xì)胞就像機(jī)器人被設(shè)定了程序一樣，只能執(zhí)行特定的功能，不再具有分化并發(fā)育成個(gè)體的能力。例如，血紅細(xì)胞只負(fù)責(zé)運(yùn)輸氧氣，不具有神經(jīng)細(xì)胞處理神經(jīng)信號(hào)的功能。而“多莉”綿羊的出生，證明體細(xì)胞也具有再分化能力，即通過(guò)重新設(shè)定程序，體細(xì)胞也可以變成同一物種的其他任何細(xì)胞，甚至發(fā)育成一個(gè)活的動(dòng)物體。

“多莉”綿羊也成為世界上最有名的羊，但之所以引起廣泛關(guān)注，還有一個(gè)重要原因：人們擔(dān)心克隆人的出現(xiàn)。有些人擔(dān)心克隆人不健康，有些人擔(dān)心克隆人身份混亂，還有人擔(dān)心有壞人利用克隆人來(lái)生產(chǎn)器官，或代替自己從事犯罪或恐怖活動(dòng)。不過(guò)20多年過(guò)去了，體細(xì)胞克隆人并沒(méi)有出現(xiàn)，因?yàn)榭茖W(xué)家們對(duì)研究克隆人根本沒(méi)有興趣，各國(guó)也相繼出臺(tái)法律嚴(yán)禁克隆人。

相反，倒是其他動(dòng)物物種不斷被克隆出來(lái)，目前已成功克隆的動(dòng)物包括小鼠、牛、豬、貓、兔、狗、狼、雪貂等20多種。體細(xì)胞克隆技術(shù)的應(yīng)用前景也不斷被挖掘出來(lái)，如復(fù)活已死亡或滅絕的動(dòng)物，保護(hù)瀕危物種，大規(guī)模繁育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種畜、生產(chǎn)人類疾病動(dòng)物模型，甚至研制出克隆胚胎或細(xì)胞來(lái)治療人類疾病等等。

克隆猴不簡(jiǎn)單

由于與人類親緣關(guān)系最近，猴子等非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物是建立人類疾病模型的理想材料，美國(guó)、德國(guó)、日本、新加坡等國(guó)家的科學(xué)家一直希望能制備體細(xì)胞克隆猴，為開(kāi)發(fā)人類疾病基因修飾猴奠定基礎(chǔ)，但是經(jīng)過(guò)近20年的努力，實(shí)驗(yàn)最終都失敗了。

從“多莉”綿羊誕生以來(lái)，世界上的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的體細(xì)胞克隆猴，大多數(shù)只做到了克隆胚胎早期之前的階段，并沒(méi)能將克隆胚胎移植到代孕母猴體內(nèi)。只有2個(gè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了胚胎移植實(shí)驗(yàn)，但也只是接近成功。

2004年，新加坡國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家成功制備了一批獼猴的克隆胚胎，并將這些胚胎移植到了30多只代孕母猴體內(nèi)，用超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中有7只懷孕，但是這些胚胎在母猴體內(nèi)的存活時(shí)間最終均沒(méi)能超過(guò)60天。2010年，美國(guó)俄勒岡靈長(zhǎng)類研究中心也開(kāi)展體細(xì)胞克隆猴的研究，采用與克隆羊“多莉”類似的技術(shù)路線，獲得67枚發(fā)育良好的克隆胚胎，并將這些克隆胚胎移植到10只代孕獼猴子宮內(nèi)，之后檢測(cè)到其中有5只懷孕，但是只有1個(gè)活胎。不幸的是，最后這個(gè)胎兒也在81天時(shí)流產(chǎn)了。

經(jīng)歷多次失敗后，很多科學(xué)家都認(rèn)為，現(xiàn)有體細(xì)胞克隆技術(shù)無(wú)法生產(chǎn)出克隆猴，問(wèn)題到底出在哪兒呢？原來(lái)用體細(xì)胞克隆猴主要存在以下3個(gè)難點(diǎn)：一是猴卵母細(xì)胞不透明，在顯微鏡下，肉眼無(wú)法識(shí)別出細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)，因此卵母細(xì)胞去核難度非常大。二是猴的卵母細(xì)胞容易提前激活，就是稍微有一點(diǎn)刺激，卵母細(xì)胞就啟動(dòng)分裂。但是新植入的體細(xì)胞核是個(gè)“外來(lái)戶”，還沒(méi)有摸清楚情況，卵母細(xì)胞就已開(kāi)始分裂，就導(dǎo)致新來(lái)的細(xì)胞核根本跟不上卵細(xì)胞分裂的速度，這樣的克隆胚胎基本上無(wú)法存活。三是體細(xì)胞的細(xì)胞核與卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)畢竟不是“原配”的，被強(qiáng)行拉到一起后，開(kāi)始時(shí)并不能互相接受，甚至還會(huì)相互排斥，大多數(shù)只能同歸于盡，導(dǎo)致猴的體細(xì)胞克隆胚胎發(fā)育差，可用于胚胎移植的優(yōu)質(zhì)囊胚比例較低。

前一個(gè)難點(diǎn)是技術(shù)問(wèn)題，研究人員想到了一種給細(xì)胞照明的方法，而且不斷完善獼猴的胚胎操作技術(shù)，練就了飛速去核的本領(lǐng)。后兩個(gè)難題是關(guān)于獼猴胚胎發(fā)育的內(nèi)在問(wèn)題，研究人員借助一些藥物，促進(jìn)重組細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)融合，結(jié)果，很多重組胚胎奇跡般地復(fù)活了，優(yōu)質(zhì)克隆胚胎數(shù)量大幅增加。

2017年11月27日和12月5日，兩只活潑可愛(ài)的體細(xì)胞克隆猴“中中”和“華華”終于出生了，它們是260枚克隆胚胎中頑強(qiáng)存活下來(lái)的幸運(yùn)兒。從開(kāi)始立項(xiàng)到克隆猴誕生，孫強(qiáng)團(tuán)隊(duì)總共歷時(shí)5年多，也反映了用體細(xì)胞克隆猴的技術(shù)難度之大。

基因編輯猴才是目標(biāo)

“中中”和“華華”一出生就被寄予厚望，科學(xué)家希望將體細(xì)胞克隆技術(shù)與基因編輯技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研制出一批能模仿人類神經(jīng)疾病的動(dòng)物模型，借此研究這些疾病的致病機(jī)理，并篩選療效顯著的新藥。

世界首批克隆猴

據(jù)預(yù)測(cè)，人類遺傳病有7000種以上，包括一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病。人們對(duì)大多數(shù)遺傳性神經(jīng)疾病的致病機(jī)理并不清楚，藥物研發(fā)因此相對(duì)滯后?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過(guò)基因編輯技術(shù)，如果將猴子的一些基因改造成與人類遺傳性神經(jīng)疾病的致病基因一樣，這樣的基因編輯猴就能變身為人類疾病動(dòng)物模型，表現(xiàn)出這些神經(jīng)疾病的癥狀，科學(xué)家就可以研究其機(jī)理并篩選新藥。

不過(guò)，每一種新藥被研發(fā)出來(lái)后，首先必須經(jīng)過(guò)動(dòng)物試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其安全性和有效性，不同遺傳背景的動(dòng)物對(duì)藥物的耐受能力和反應(yīng)都不一樣，因此進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)前最好遴選與人遺傳背景一致的動(dòng)物。以前主要用小鼠或大鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，但是這些嚙齒類動(dòng)物與人類的遺傳背景、生理結(jié)構(gòu)和藥物反應(yīng)等方面都存在較大差異，結(jié)果大多數(shù)在嚙齒類動(dòng)物體內(nèi)有療效的藥物，一旦運(yùn)用到人體臨床試驗(yàn)卻宣告失敗。

基因編輯技術(shù)能將猴子的一些基因改造成人類致病基因，使其表現(xiàn)出人類遺傳病的癥狀。而體細(xì)胞克隆技術(shù)則可以大規(guī)模生產(chǎn)出遺傳背景完全一致的基因編輯猴。由于猴子等靈長(zhǎng)類動(dòng)物是所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中與人類親緣關(guān)系最近的，因此一旦將體細(xì)胞克隆技術(shù)和基因編輯技術(shù)相結(jié)合，基因編輯克隆猴將成為最主要的人類疾病動(dòng)物模型。

值得一說(shuō)的是，在體細(xì)胞克隆猴誕生之前，我國(guó)科學(xué)家已率先在國(guó)際上培育出基因編輯猴，為研制更好的人類疾病動(dòng)物模型奠定了重要基礎(chǔ)。

基因編輯猴

2014年2月，《細(xì)胞》雜志網(wǎng)站報(bào)道了昆明理工大學(xué)季維智院士團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，在中國(guó)昆明成功培育出了世界首例基因編輯猴。CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)是最新一代的基因編輯技術(shù)，含有負(fù)責(zé)尋找并特異結(jié)合目標(biāo)DNA片段的向?qū)NA，以及負(fù)責(zé)切割目的DNA片段的“分子剪刀”——DNA切割酶Cas9。研究人員首先對(duì)猴的單細(xì)胞受精卵注射一種設(shè)計(jì)好的向?qū)NA，然后通過(guò)這種RNA引導(dǎo)DNA切割酶Cas9，對(duì)與新陳代謝調(diào)控和免疫系統(tǒng)疾病相關(guān)的2個(gè)基因同時(shí)進(jìn)行破壞，最終獲得了2只基因敲除的小猴。

此次培育體細(xì)胞克隆猴的孫強(qiáng)團(tuán)隊(duì)也已建立轉(zhuǎn)基因猴和基因編輯技術(shù)平臺(tái)，先后培育出自閉癥轉(zhuǎn)基因猴和CRISPR/Cas9基因編輯猴。而利用此次實(shí)驗(yàn)成功的體細(xì)胞克隆技術(shù)與基因編輯技術(shù)結(jié)合，就有望培育出更多、更有價(jià)值的人類疾病靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型，為研究人類神經(jīng)疾病機(jī)理、探尋腦疾病治療方法和新藥作出巨大的貢獻(xiàn)。