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摘要：克隆动物的研究在异种器官移植、抗病育种和乳腺生物反应器等方面具有广泛的应用前景， 但目前的克隆动物的效率很低，只有不到10%的胚胎能发育到个体，而且这些个体中多有异常发育的现象。本文主要对导致克隆动物异常发育的原因在细胞水平作了较为全面的分析。
关键词：克隆 核移植 异常发育
中图分类号：Q132 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2013）14-0036-03
1997年2月27日，英国《自然》杂志公布了一项爱丁堡罗斯林研究所威尔莫特等人的研究成果：经历了247次失败之后，终于在1996年他们得到了一只克隆雌性小绵羊，取名“多利”。自从多利产生国内外生物科学工作者在克隆动物技术上取得了显著的成绩。在畜牧业中，克隆动物具有提高动物生产性能、繁育优良品种、改善畜产品质量等优势；在医药方面，克隆动物在研究人类疾病模型、异种器官移植和生产生物医药产品方面都显示出了巨大的研究潜力。但是目前生产的克隆动物普遍出现死亡率高，个体发育不正常的现象。通过研究发现这一现象与许多细胞因素有关，包括：核供体的重编程、卵母细胞的成熟发育、X染色体活性和基因表达、线粒体的变化、细胞因子的效应等。
1 核供体重编程和卵母细胞成熟
核移植一大目的就是获得多产的后代，但是要成功的获得后代还需要许多事件能够正常发生。首先就是核供体需处在一种能够被重塑，基因组能够被逐渐的重编程的状态；其次就是受体卵母细胞必须成熟，能够启动重组胚的发育；再者，就是体外培养体系必须适应这种胚胎的生长需求。代孕动物的生理状态对核移植后代的成功繁育也有着十分重要的影响，例如，处于排卵前或是排卵后的状态，不同的季节等对应的胚胎的妊娠率和分娩率都有所不同。
核移植过程中，目前不仅囊胚发育率和妊娠率较低，而且产生的后代个体也多有异常问题而出现新生胎儿出生不久就死亡的现象。主要表现在胎儿个头大，心脏肥大、卵圆孔闭合不全、瓣膜发育不全，肝脏肿大和充血、肝组织发育不全、脂肪沉积严重，肺不能正常充气、形态畸形，脾脏较小、出血，肾脏不成形、伴有大量脂肪沉积，脑组织发育不全、含量少，等。1-7究其原因，除了上面提到的，估计得追溯到表观修饰异常和发育相关基因表达异常等细胞内深入的活动机制上来。8-10
2 X染色体
由于剂量补偿效应，哺乳动物的雌性胚胎中的一条X染色体会发生失活。Xist基因的表达决定了这一效应的发生，而且Xist在二细胞时期就开始表达。其表达还引起了子代细胞中X染色体复制不同步，特别是在胚胎致密化之后，这种不同步X复制的细胞比例逐渐增加。
体外生产的胚胎在培养过程中，雄性胚的生长状况要优于雌性胚，特别是在培养液中含有高浓度的葡萄糖、血清以及相对较高的温度都会给雌性胚的生长带来不利影响。这种发育的二态现象，很可能是由于培养环境引起了基因的差异表达。但让人迷惑的是，有一研究发现，有384个基因在正常胚与体外形成胚里表达有差异，其中85%基因在IVP胚胎中表达下调；而与X染色体相关的基因表达却上调11，而且这一情况在雄性胚和雌性胚中相同。Xist与二态现象之间究竟有什么样的关系人需要进一步探索。
在研究X相关基因在存活和死亡克隆牛中的表达时，发现很多基因出现异常表达。有意思的是，Xist基因在雄性克隆牛的组织中呈高度甲基化，而在雌性克隆牛组织内Xist普遍处于低甲基化水平，而且出生后死亡的克隆牛比围产期死亡的还要低。这与核重编程不完全有很大的关系，而且与X染色体选择性随机失活受到干扰有关。尽管Xist基因的甲基化和Xist的转录都有是组织差异的，但是Xist基因DNA甲基化程度高的样品的Xist转录水平也高，这似乎暗示着还存在其他因素在调控Xist转录上起着更大的作用。总之，X染色体的剂量效应及其印记修饰状况与胚胎的正常发育有着重要的作用。
3 线粒体
线粒体在机体里发挥重要作用，它不仅给细胞直接提供能量，而且能维持细胞稳态，介导了信号转导和凋亡等生理活动。线粒体在细胞内的数量，形态和分布状态都影响着细胞的生理功能。线粒体内部基因功能不全，其分离、融合等过程都受到核基因的协作。在成熟的卵母细胞中线粒体的拷贝数约为105个，当其受精后，胚胎发育到囊胚的这段时期，线粒体都不重新合成，都是使用卵母细胞遗传而来的线粒体。近来，研究发现含有高拷贝线粒体的卵母细胞其受精率更高，而且对胚胎发育更有利。Wai等发现含有4000个拷贝的线粒体能够发育到胚胎附植前，而要能够完成完成附植后发育线粒体的数量至少要40000-50000个12。对附植前的胚胎进行研究，发现体外培养条件能引起胚胎内线粒体过早的开始复制，线粒体的形态与定位模式也有所改变。但是目前线粒体影响细胞功能的详细机理还不太清楚。
4 细胞因子
目前，由体细胞核移植或体外受精生产的胚胎成功发育为个体的成率要低于10%。高达70%的核移植胚胎在妊娠的前三个月就会发生流产。而胎盘发育异常是这一现象的主要原因，表现为胎盘子叶重量增加，胎盘子叶数量减少。即使部分胚胎幸运地发育到个体，不少个体也会出现巨大综合症。这些克隆带来的非正常现象，主要与基因不能按照正常的模式表达有关。其中，与细胞分裂增殖和个体生长发育密切相关的类胰岛素生长因子，及其对应的受体和结合蛋白的正常表达对维持胚胎的正常发育有重要的意义。
IGFs有两种类型，IGF-I和IGF-II。IGF-I既有促进生物合成代谢的功能，又有促生长的功能。IGF-II可以介导酶和生物大分子的降解。结合蛋白除了能运输IGFs帮助其定位外，还能延长其半衰期以及调节其活性。它们在胚胎发育期的一个重要的作用就是可以调节出生个体的大小。
研究发现：在25日龄牛胚中，体外受精产生的胚胎表达的IGF-I的水平要显著高于正常发育的胚胎组织；核移植形成的胚胎表达的IGF-II的水平又要显著高于体外受精形成的胚胎；核移植产生的胚盘组织中表达的IGF-II的水平也要显著高于正常的胚盘13。研究还发现：看似正常的克隆牛在出生时血浆中IGF-II的浓度明显高于人工受精的正常对照牛，而出生15天后的IGF-II浓度明显降低； IGF-I在妊娠150天胎儿血浆中的浓度明显高于IVP的正常对照；核移植胎盘尿囊液中IGFBP-l的水平也明显升高14。 5 结语
当前动物克隆技术作为一项新技术，由于其巨大的科研价值和应用价值而发展迅速，但是克隆动物成活率低成为此项技术的制约瓶颈，在克隆动物技术中还存在许多科学问题仍尚待解决。克隆动物的异常发育原因可能与细胞内活动的许多因素都相关，除了上诉提到的因素以外，还有组蛋白的修饰、其他类型的细胞因子、体外培养条件等方面的因素。时下较为流行的重编程理论和表观遗传学理论还不能在微观层面深入对异常发育现象作出合理的解释，新的研究方法和技术以及新发现急需出现。
参考文献
[1]Arat S， Rzucid lo S J， G ibbons J， et al. Production of transgenic bovine embryos by transfer of transfected granulosa cells in toenucleated oocytes[J].MolRep rod Dev， 2001，60 （1）：20 - 26.
[2]Enright B P， Jeong B S， Yang X， et al. Epigenetic characteristics of bovine donor cells for nuclear transfer levels of histone acetylation[J].Biol Reprod，2003，69（5）：1525-1530.
[3]Woods G L，White K L， Vanderwall D K， et al.Amule cloned from fetal cells by nu clear transfer[J] . Science，2003，301（5636）：1063.
[4]Kishigami S，Mizutani E， OhtaH，et al.Significant improvement of mouse cloning technique by treatment with trichostat in A after somatic nuclear transfer[J].Biochem Biophys Res Commun， 2006，340（1）：183-189.
[5]杜卫华，朱化彬，郝海生 等.体细胞核移植与中心体遗传[J].遗传，2008，8：960-966.
[6]Simerly C，Navara C，Hyun SH， et al. Embryogenesis and blastocyst development after somatic cellnuclear transfer in nonhuman primates： overcom ing defectscaused by meiotic spindle extraction[J].Dev B iol，2004，276（2）： 237 - 252.
[7]杨素芳，石德顺，韩杰 等.供体核种类对水牛核移植效果的影响[J].广西农业生物科学，2004，（03）：140-146.
8 Yang L，Chavatte Palmer P，Kubota C，et al.Expression of imprinted genes is aberrant in deceased newborn cloned calves and relatively normal in surviving adultclones[J].Mol Rep rod Dev，2005，71（4）：431- 438.
9 Beau jean N，Taylor J，G ardner J， et al.Effect of limited DNA methylation reprogramming in the norm al sheep embryo on somatic cell nuclear transfer[J]. BiolReprod， 2004，71（1）：185- 193.
10 Wakayam a T，PerryA C， Zuccotti M，et al.Fu ll term development of mice from enucleated oocytes injected with cumulus cell nuclei[J].Nature，1998，394（6691）：369- 374.
11 Nino-Soto MI， Basrur PK & King WA. Impact of in vitro production techniques on the expression of X-linked genes in bovine （Bos taurus） oocytes and pre-attachment embryos.Molecular Reproduction and Development （2007） 74 144–153.
12 Wai， T.，Ao， A.， Zhang， X.， Cyr， D.， Dufort， D.， Shoubridge， E.A.. The role of mitochondrial DNA copy number in mammalian fertility.Biol.Reprod. （2010） 83 52 62.
13K. Moore，J.M.Kramer，C.J.Rodriguez-Sallaberry. Insulin-like growth factor（IGF）family genes are aberrantly expressed in bovine conceptuses produced in vitro or by nuclear transfer. Theriogenology （2007） 68 717-727.
14Ravelich SR，Breier BH.Reddy S，Keelan JA，WtlIs DN，James Peterson A，Lee RSF.Insulin—Like Growth Faetor-I and Binding Proteins 1，2，and 3 in Bovine Nuclear Transfer.Pregnancies Biol Reprod （2004） 70 430-438.
关键词：克隆 核移植 异常发育
中图分类号：Q132 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2013）14-0036-03
1997年2月27日，英国《自然》杂志公布了一项爱丁堡罗斯林研究所威尔莫特等人的研究成果：经历了247次失败之后，终于在1996年他们得到了一只克隆雌性小绵羊，取名“多利”。自从多利产生国内外生物科学工作者在克隆动物技术上取得了显著的成绩。在畜牧业中，克隆动物具有提高动物生产性能、繁育优良品种、改善畜产品质量等优势；在医药方面，克隆动物在研究人类疾病模型、异种器官移植和生产生物医药产品方面都显示出了巨大的研究潜力。但是目前生产的克隆动物普遍出现死亡率高，个体发育不正常的现象。通过研究发现这一现象与许多细胞因素有关，包括：核供体的重编程、卵母细胞的成熟发育、X染色体活性和基因表达、线粒体的变化、细胞因子的效应等。
1 核供体重编程和卵母细胞成熟
核移植一大目的就是获得多产的后代，但是要成功的获得后代还需要许多事件能够正常发生。首先就是核供体需处在一种能够被重塑，基因组能够被逐渐的重编程的状态；其次就是受体卵母细胞必须成熟，能够启动重组胚的发育；再者，就是体外培养体系必须适应这种胚胎的生长需求。代孕动物的生理状态对核移植后代的成功繁育也有着十分重要的影响，例如，处于排卵前或是排卵后的状态，不同的季节等对应的胚胎的妊娠率和分娩率都有所不同。
核移植过程中，目前不仅囊胚发育率和妊娠率较低，而且产生的后代个体也多有异常问题而出现新生胎儿出生不久就死亡的现象。主要表现在胎儿个头大，心脏肥大、卵圆孔闭合不全、瓣膜发育不全，肝脏肿大和充血、肝组织发育不全、脂肪沉积严重，肺不能正常充气、形态畸形，脾脏较小、出血，肾脏不成形、伴有大量脂肪沉积，脑组织发育不全、含量少，等。1-7究其原因，除了上面提到的，估计得追溯到表观修饰异常和发育相关基因表达异常等细胞内深入的活动机制上来。8-10
2 X染色体
由于剂量补偿效应，哺乳动物的雌性胚胎中的一条X染色体会发生失活。Xist基因的表达决定了这一效应的发生，而且Xist在二细胞时期就开始表达。其表达还引起了子代细胞中X染色体复制不同步，特别是在胚胎致密化之后，这种不同步X复制的细胞比例逐渐增加。
体外生产的胚胎在培养过程中，雄性胚的生长状况要优于雌性胚，特别是在培养液中含有高浓度的葡萄糖、血清以及相对较高的温度都会给雌性胚的生长带来不利影响。这种发育的二态现象，很可能是由于培养环境引起了基因的差异表达。但让人迷惑的是，有一研究发现，有384个基因在正常胚与体外形成胚里表达有差异，其中85%基因在IVP胚胎中表达下调；而与X染色体相关的基因表达却上调11，而且这一情况在雄性胚和雌性胚中相同。Xist与二态现象之间究竟有什么样的关系人需要进一步探索。
在研究X相关基因在存活和死亡克隆牛中的表达时，发现很多基因出现异常表达。有意思的是，Xist基因在雄性克隆牛的组织中呈高度甲基化，而在雌性克隆牛组织内Xist普遍处于低甲基化水平，而且出生后死亡的克隆牛比围产期死亡的还要低。这与核重编程不完全有很大的关系，而且与X染色体选择性随机失活受到干扰有关。尽管Xist基因的甲基化和Xist的转录都有是组织差异的，但是Xist基因DNA甲基化程度高的样品的Xist转录水平也高，这似乎暗示着还存在其他因素在调控Xist转录上起着更大的作用。总之，X染色体的剂量效应及其印记修饰状况与胚胎的正常发育有着重要的作用。
3 线粒体
线粒体在机体里发挥重要作用，它不仅给细胞直接提供能量，而且能维持细胞稳态，介导了信号转导和凋亡等生理活动。线粒体在细胞内的数量，形态和分布状态都影响着细胞的生理功能。线粒体内部基因功能不全，其分离、融合等过程都受到核基因的协作。在成熟的卵母细胞中线粒体的拷贝数约为105个，当其受精后，胚胎发育到囊胚的这段时期，线粒体都不重新合成，都是使用卵母细胞遗传而来的线粒体。近来，研究发现含有高拷贝线粒体的卵母细胞其受精率更高，而且对胚胎发育更有利。Wai等发现含有4000个拷贝的线粒体能够发育到胚胎附植前，而要能够完成完成附植后发育线粒体的数量至少要40000-50000个12。对附植前的胚胎进行研究，发现体外培养条件能引起胚胎内线粒体过早的开始复制，线粒体的形态与定位模式也有所改变。但是目前线粒体影响细胞功能的详细机理还不太清楚。
4 细胞因子
目前，由体细胞核移植或体外受精生产的胚胎成功发育为个体的成率要低于10%。高达70%的核移植胚胎在妊娠的前三个月就会发生流产。而胎盘发育异常是这一现象的主要原因，表现为胎盘子叶重量增加，胎盘子叶数量减少。即使部分胚胎幸运地发育到个体，不少个体也会出现巨大综合症。这些克隆带来的非正常现象，主要与基因不能按照正常的模式表达有关。其中，与细胞分裂增殖和个体生长发育密切相关的类胰岛素生长因子，及其对应的受体和结合蛋白的正常表达对维持胚胎的正常发育有重要的意义。
IGFs有两种类型，IGF-I和IGF-II。IGF-I既有促进生物合成代谢的功能，又有促生长的功能。IGF-II可以介导酶和生物大分子的降解。结合蛋白除了能运输IGFs帮助其定位外，还能延长其半衰期以及调节其活性。它们在胚胎发育期的一个重要的作用就是可以调节出生个体的大小。
研究发现：在25日龄牛胚中，体外受精产生的胚胎表达的IGF-I的水平要显著高于正常发育的胚胎组织；核移植形成的胚胎表达的IGF-II的水平又要显著高于体外受精形成的胚胎；核移植产生的胚盘组织中表达的IGF-II的水平也要显著高于正常的胚盘13。研究还发现：看似正常的克隆牛在出生时血浆中IGF-II的浓度明显高于人工受精的正常对照牛，而出生15天后的IGF-II浓度明显降低； IGF-I在妊娠150天胎儿血浆中的浓度明显高于IVP的正常对照；核移植胎盘尿囊液中IGFBP-l的水平也明显升高14。 5 结语
当前动物克隆技术作为一项新技术，由于其巨大的科研价值和应用价值而发展迅速，但是克隆动物成活率低成为此项技术的制约瓶颈，在克隆动物技术中还存在许多科学问题仍尚待解决。克隆动物的异常发育原因可能与细胞内活动的许多因素都相关，除了上诉提到的因素以外，还有组蛋白的修饰、其他类型的细胞因子、体外培养条件等方面的因素。时下较为流行的重编程理论和表观遗传学理论还不能在微观层面深入对异常发育现象作出合理的解释，新的研究方法和技术以及新发现急需出现。
参考文献
[1]Arat S， Rzucid lo S J， G ibbons J， et al. Production of transgenic bovine embryos by transfer of transfected granulosa cells in toenucleated oocytes[J].MolRep rod Dev， 2001，60 （1）：20 - 26.
[2]Enright B P， Jeong B S， Yang X， et al. Epigenetic characteristics of bovine donor cells for nuclear transfer levels of histone acetylation[J].Biol Reprod，2003，69（5）：1525-1530.
[3]Woods G L，White K L， Vanderwall D K， et al.Amule cloned from fetal cells by nu clear transfer[J] . Science，2003，301（5636）：1063.
[4]Kishigami S，Mizutani E， OhtaH，et al.Significant improvement of mouse cloning technique by treatment with trichostat in A after somatic nuclear transfer[J].Biochem Biophys Res Commun， 2006，340（1）：183-189.
[5]杜卫华，朱化彬，郝海生 等.体细胞核移植与中心体遗传[J].遗传，2008，8：960-966.
[6]Simerly C，Navara C，Hyun SH， et al. Embryogenesis and blastocyst development after somatic cellnuclear transfer in nonhuman primates： overcom ing defectscaused by meiotic spindle extraction[J].Dev B iol，2004，276（2）： 237 - 252.
[7]杨素芳，石德顺，韩杰 等.供体核种类对水牛核移植效果的影响[J].广西农业生物科学，2004，（03）：140-146.
8 Yang L，Chavatte Palmer P，Kubota C，et al.Expression of imprinted genes is aberrant in deceased newborn cloned calves and relatively normal in surviving adultclones[J].Mol Rep rod Dev，2005，71（4）：431- 438.
9 Beau jean N，Taylor J，G ardner J， et al.Effect of limited DNA methylation reprogramming in the norm al sheep embryo on somatic cell nuclear transfer[J]. BiolReprod， 2004，71（1）：185- 193.
10 Wakayam a T，PerryA C， Zuccotti M，et al.Fu ll term development of mice from enucleated oocytes injected with cumulus cell nuclei[J].Nature，1998，394（6691）：369- 374.
11 Nino-Soto MI， Basrur PK & King WA. Impact of in vitro production techniques on the expression of X-linked genes in bovine （Bos taurus） oocytes and pre-attachment embryos.Molecular Reproduction and Development （2007） 74 144–153.
12 Wai， T.，Ao， A.， Zhang， X.， Cyr， D.， Dufort， D.， Shoubridge， E.A.. The role of mitochondrial DNA copy number in mammalian fertility.Biol.Reprod. （2010） 83 52 62.
13K. Moore，J.M.Kramer，C.J.Rodriguez-Sallaberry. Insulin-like growth factor（IGF）family genes are aberrantly expressed in bovine conceptuses produced in vitro or by nuclear transfer. Theriogenology （2007） 68 717-727.
14Ravelich SR，Breier BH.Reddy S，Keelan JA，WtlIs DN，James Peterson A，Lee RSF.Insulin—Like Growth Faetor-I and Binding Proteins 1，2，and 3 in Bovine Nuclear Transfer.Pregnancies Biol Reprod （2004） 70 430-438.