從高中生物學(xué)教材看我國克隆技術(shù)的發(fā)展

劉 丹

(人民教育出版社 北京 100081)

2017年底，我國科學(xué)家成功培育了體細(xì)胞克隆猴“中中”和“華華”，它們的誕生轟動了全世界。我國開展克隆技術(shù)的研究工作始于20世紀(jì)60年代，相關(guān)研究成果從90年代末開始被寫入高中生物學(xué)教材。

“克隆”一詞是英文“clone”的音譯，最早是指植物通過無性繁殖得到的群體，而克隆技術(shù)就是指相應(yīng)的技術(shù)操作。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，“克隆”的含義有所擴(kuò)展，包括基因克隆、細(xì)胞克隆和生物個(gè)體克隆等。本文主要論述以細(xì)胞核移植技術(shù)為核心的生物個(gè)體克隆，體細(xì)胞克隆猴就屬于此類。

1 最早的魚類細(xì)胞核移植工作

在1998年12月出版的《全日制普通高級中學(xué)教科書(試驗(yàn)本)生物 選修 全一冊》中第一次對細(xì)胞核移植技術(shù)進(jìn)行了介紹，是以“課外讀——核移植技術(shù)漫談”的形式呈現(xiàn)的，其中重點(diǎn)介紹了我國科學(xué)家運(yùn)用核移植技術(shù)培育了鯉鯽移核魚。這項(xiàng)研究成果由被譽(yù)為“中國克隆技術(shù)之父”的我國著名生物學(xué)家童第周先生帶領(lǐng)的研究小組取得。他們將鯉魚囊胚細(xì)胞的核移植到了去核的鯽魚未受精卵中，培育了發(fā)育成熟的“鯉鯽雜種魚”，這也是世界上首例成功完成的種間動物克隆工作[1]。

從理論上講，任何一個(gè)含有生物體基因組全部基因的細(xì)胞都有發(fā)育成為完整個(gè)體的潛能。但實(shí)際上，克隆動植物的差別很大?？寺≈参餆o論是自然的、還是人工的，都普遍存在。然而，已經(jīng)分化的動物細(xì)胞的核基因組是否能夠恢復(fù)其分化前的功能狀態(tài)，一直是克隆動物需要解決的重要問題。20世紀(jì)30年代，胚胎學(xué)家Hans Spemann就提出了動物細(xì)胞核移植的設(shè)想。但直到1952年，科學(xué)家R. Briggs和J. King才將已經(jīng)分化的蛙囊胚細(xì)胞的核移植到去核的蛙卵細(xì)胞中，初步建立了核移植技術(shù)；并通過進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)，獲得了成功發(fā)育的幼蛙。童第周先生正是從中得到了啟發(fā)，他的研究團(tuán)隊(duì)以金魚和鳑鮍魚為材料，于1961年開始了細(xì)胞核移植的工作。盡管當(dāng)時(shí)技術(shù)手段落后、科研資源有限，但他們克服重重困難，自己設(shè)計(jì)了一種微量注射器，即在注射器的軸上裝一個(gè)彈簧，在注射器的頭上接一條塑料細(xì)管，細(xì)管的另一端由一根小橡皮管與一個(gè)毛細(xì)吸管頭相接，并將塑料細(xì)管固定在顯微操縱臺上。就是利用這種簡易的裝置，研究人員完成了在卵細(xì)胞有極體一側(cè)插入玻璃針將核挑除，或直接切除一小部分細(xì)胞質(zhì)等高精度的操作。移植后的細(xì)胞有的發(fā)育成了正常的胚胎和幼魚[2]。

2 從胚胎細(xì)胞核移植向體細(xì)胞核移植發(fā)展

教科書發(fā)展到了現(xiàn)行的《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 生物 選修3 現(xiàn)代生物科技專題》(以下簡稱“高中生物選修3”)，其中對核移植技術(shù)的介紹已不僅是課外閱讀層次了，除了在“專題2細(xì)胞工程”的“科技探索之路”中介紹了童第周先生的研究工作外，還在“動物細(xì)胞工程”一節(jié)單列一個(gè)標(biāo)題“動物體細(xì)胞核移植技術(shù)和克隆動物”詳細(xì)講述了體細(xì)胞核移植的過程和應(yīng)用前景。

在體細(xì)胞核移植技術(shù)取得突破之前，科學(xué)家開展得比較多的是胚胎細(xì)胞的核移植工作。我國科學(xué)家在魚類細(xì)胞核移植工作的基礎(chǔ)上也進(jìn)行了相關(guān)嘗試，并于20世紀(jì)90年代取得了一系列可喜的研究成果。1990—1991年，陸德裕教授和王斌教授的研究小組分別將兔卵裂球的核移植到去核的未受精的卵細(xì)胞中，然后用電刺激誘導(dǎo)兩者融合，成功獲得了用胚胎細(xì)胞克隆的兔[3]。同期，西北農(nóng)業(yè)大學(xué)張涌教授的研究團(tuán)隊(duì)選用陜北黑山羊的4～32細(xì)胞期胚胎和薩能奶山羊的次級卵母細(xì)胞分別作核供體和胞質(zhì)供體，培育了世界上第一例用胚胎細(xì)胞克隆的山羊[4]。此后，科學(xué)家又相繼用胚胎細(xì)胞克隆了牛、豬等家畜。

相對于胚胎細(xì)胞，高度分化的體細(xì)胞恢復(fù)全能性要困難得多。直到1997年，體細(xì)胞克隆動物才培育成功，它是一只用高度分化的成年母羊的乳腺上皮細(xì)胞作為核供體產(chǎn)生的克隆綿羊多莉(Dolly)，自此細(xì)胞核移植技術(shù)開始進(jìn)入體細(xì)胞核移植的飛速發(fā)展階段。我國國家基金會也專門設(shè)立了相關(guān)的研究課題。1999年，陳大元教授等將成年大熊貓的幾種體細(xì)胞作為供核細(xì)胞移植到去核兔卵母細(xì)胞中，嘗試異種體細(xì)胞克隆，以期解決我國瀕危動物大熊貓的繁育問題[5]。次年6月，西北農(nóng)林科技大學(xué)的研究人員將傳代培養(yǎng)冷凍后的成年山羊耳朵皮膚成纖維細(xì)胞作為核移植的供體細(xì)胞，培育了世界第一例體細(xì)胞克隆山羊。在培育過程中，我國科學(xué)家進(jìn)行了很多自主性的探索。例如，此研究是用離子霉素(ionomycin)聯(lián)合二甲氨基吡啶(6-DMAP)化學(xué)激活的方法來激活克隆胚胎，且采用了胞質(zhì)內(nèi)直接注射法(當(dāng)時(shí)核移植一般是通過電刺激誘導(dǎo)細(xì)胞融合)等[6]。這一切表明，當(dāng)時(shí)我國科學(xué)家已經(jīng)掌握了世界頂尖的克隆技術(shù)。截至目前，我國已經(jīng)自主培育了體細(xì)胞克隆牛、轉(zhuǎn)基因克隆山羊、異種克隆北山羊等克隆動物。在高中生物選修3的“拓展視野——核移植技術(shù)發(fā)展簡史”中，就有一張誕生在我國山東曹縣的體細(xì)胞克隆牛的照片。

3 體細(xì)胞克隆猴領(lǐng)跑世界

在高中生物選修3中有一張用胚胎細(xì)胞克隆的猴的照片，兩只小猴誕生于2000年。盡管科學(xué)家在近20年前就用體細(xì)胞克隆了哺乳動物，也用胚胎細(xì)胞克隆了猴，但是在與人類親緣關(guān)系最近的非人靈長類動物的體細(xì)胞克隆上，屢屢受挫，甚至有不少專家一度認(rèn)為“這是不可能突破的”。究其原因，一方面是非人靈長類動物的供體細(xì)胞核在受體卵母細(xì)胞中很難完全恢復(fù)其分化前的功能狀態(tài)，這導(dǎo)致了胚胎發(fā)育率很低；另一方面是該類動物胚胎的操作技術(shù)尚不完善。

我國研究人員以胎猴的成纖維細(xì)胞作為供核細(xì)胞，首先在偏振光下去除了卵母細(xì)胞的細(xì)胞核，并將供核細(xì)胞與仙臺病毒的包膜(HVJ-E)共孵育；然后用激光劃破透明帶使供核細(xì)胞進(jìn)入去核的卵母細(xì)胞中；在細(xì)胞融合1～2h后，用離子霉素和二甲氨基吡啶激活重構(gòu)胚胎；進(jìn)而，用組蛋白去乙?；傅囊种苿┣帕?TSA)處理重構(gòu)胚胎10h，并將人的H3K9me3去甲基化酶(Kdm4d)mRNA注入激活后的重構(gòu)胚胎，來促進(jìn)囊胚的發(fā)育和提高代孕母猴的妊娠率；最終獲得了2只健康的小猴[7]。除了創(chuàng)新性的探索，在研究過程中研究人員掌握的嫻熟的操作技巧也是功不可沒。經(jīng)過大量的訓(xùn)練，他們能在10s內(nèi)精準(zhǔn)地完成細(xì)胞的去核操作。體細(xì)胞克隆猴的誕生意義無疑是重大的，而這一里程碑式的研究成果也很可能被載入新的高中生物學(xué)教材當(dāng)中。

4 理性看待克隆技術(shù)

關(guān)于克隆技術(shù)存在的問題，在高中生物選修3的專題2和專題4里都展開了闡述和討論。當(dāng)年培育克隆羊Dolly時(shí)，共獲得了277個(gè)融合的細(xì)胞，早期發(fā)育成功的胚胎數(shù)卻只有29個(gè)，移植后成功懷孕的母羊僅有1只[8]；培育體細(xì)胞克隆猴時(shí)，用了127個(gè)卵母細(xì)胞，獲得109個(gè)核移植胚胎，移植給21只代孕母猴，只有6只成功懷孕，最后只誕生了2只健康的小猴[7]?？梢姡瑹o論是克隆家畜還是克隆猴，都面臨著重構(gòu)胚胎成功率低、植入代孕母體后胚胎著床率低、流產(chǎn)率高等問題，克隆技術(shù)還有很大的改進(jìn)和完善空間。

還有人認(rèn)為體細(xì)胞克隆猴成功了，克隆人離我們也就不遠(yuǎn)了。雖然，從原理和技術(shù)層面看，克隆人是可行的；但是，在倫理道德層面，顯然是公眾難以接受的。新頒布的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》里已明確要求課程內(nèi)容包括： 舉例說出生殖性克隆人面臨的倫理問題；分析說明我國為什么不贊成、不允許、不支持、不接受任何生殖性克隆人實(shí)驗(yàn)[9]。目前，針對生殖性克隆人，我國政府明確表示堅(jiān)持上述四不原則，認(rèn)為克隆人是對人類尊嚴(yán)的巨大威脅，且可能引起嚴(yán)重的社會、倫理、道德、宗教和法律問題。為此，相關(guān)部門還頒布了《人類輔助生殖技術(shù)管理辦法》《人類輔助生殖技術(shù)規(guī)范》和《人類輔助生殖技術(shù)和人類精子庫倫理原則》。

綜觀半個(gè)世紀(jì)以來我國克隆技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的歷史性跨越。而我們的高中生物學(xué)教材也緊密追蹤進(jìn)展，為師生呈現(xiàn)了我國這一技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在引導(dǎo)學(xué)生樹立與時(shí)俱進(jìn)的觀念、培養(yǎng)民族認(rèn)同感、提升愛國心和責(zé)任感等方面發(fā)揮了不可或缺的作用。