克隆动物何以多发异常

来源 :科学大众(中学) | 被引量 : 0次 | 上传用户:tananhua252
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  2003年2月14日,英国的罗斯林研究所宣布因为多莉患有进行性肺病,身体状况不断恶化,研究所决定对多莉实施“安乐死”。与通常绵羊的平均寿命(11~12岁)相比,多莉的寿命(6岁7个月)只有正常绵羊的一半,可以说是过早的死亡。显然,这与克隆技术有关系,研究人员开始在基因层面阐明其原因。
  
  极低的克隆成功率
  
  所谓“克隆”,是指具有完全相同遗传信息(基因)的生物个体。生物细胞(体细胞)的一个个核中包含有构成其身体所必需的一切基因。从这个体细胞直接制造出另一个体的方法就是“克隆技术”。通常孩子是通过精子与卵子结合诞生,但是克隆动物不用经过受精过程就被制造出来。
  多莉于1996年7月在罗斯林研究所诞生,次年2月介绍给公众,一时间成为全球瞩目的焦点,并被视为生物技术新时代来临的标志。该研究所采用所谓的“核移植”的方法,从成年的雌绵羊体细胞(乳腺细胞)中取出核,移植到被摘除核的另一个绵羊的未受精的卵中。与此同时,施加电刺激使体细胞的核与卵子融合,犹如受精卵那样开始分裂。由于这些细胞群具有与原来细胞完全相同的遗传基因,所以被称为“克隆囊胚”。多莉的情形是把克隆囊胚培养到由100个细胞左右组成的“胚泡期”,并把它移植到代理母亲的绵羊子宫中使其着床,直至出生。
  多莉的出世,有力地促进了克隆技术的研究。1997年夏威夷大学从卵巢中的卵丘细胞(体细胞)成功地制造出克隆鼠,其后,牛(1998年)、猪(2000年)、山羊(2000年)、猫(2001年)、兔(2002年)也相继由体细胞克隆诞生。
  但是体细胞克隆制造的成功率还很低,除了流产、死产外,由于脏器或组织异常,刚生下来就死去的也不少。日本京都大学今井教授说:“现在即使在世界顶级的实验室,克隆牛的成功率也就在10%~15%之间,而克隆猪是5%左右,克隆鼠是1%左右”。而且这个数字显示的是移植到子宫的克隆胚胎数对平安诞生的个体数之比,如果把核移植到制造克隆囊胚的阶段考虑在内,成功率会进一步降低。因为经核移植的个体并不是都能成长到胚泡期。多莉是277例试验的核移植中唯一成功的例子,成功率低于0.4%。
  成功率低的原因是,制造的克隆胚胎几乎都发生某种形式的异常。尽管不同种类的克隆动物在妊娠、生育过程中出现的形态异常多种多样,它们也会有共同的异常,例如“胚胎的肥大”以及出生时就已经睁开眼睛的开眼异常。
  胚盘是由着床在子宫的囊胚腔的外侧部分的细胞群(营养外胚叶)长成的,扮演了与母体的氧气交换或养分的交接等重要作用的器官。在那里因某些问题发生肥大,但这对胎儿的发育产生多大影响,现在还不清楚。
  其次,共同发生的异常是“胎儿的过大化”。以牛为例,通常胎儿出生时应该是25千克左右,但是克隆牛出生时却超过了40千克。今井教授指出“这是非常危险的异常,因为这导致克隆动物无法自然分娩,通常要剖腹产子。另外,克隆动物的脐带比正常的粗而短,所以在出生后割断脐带时,会有母子因出血过多而死去。”
  即使活了下来,50%左右的克隆牛也会在出生后1周前后死去。幸存的也由于肺的发育尚未成熟,不能很好过渡到肺呼吸(呼吸不全),或由于主司免疫机能的胸腺不足,很容易患传染病。
  
  克隆动物异常的原因
  
  关于克隆动物发生异常的原因,东京农大应用生物学系的河野教授做了如下说明。首先是染色体或基因水平的异常。例如老鼠有20条(40对)染色体,但是在克隆囊胚中会有几条发生缺失这样重大的变异。出现这样的情况,被移植的细胞分裂2~3次(2~4细胞期)就会死亡。另外部分碱基排列替换为别的碱基,或插入新的、或者缺失那样的变异,都会引起克隆囊胚的异常。学界早就预料到这些异常的发生,但是到了近年才获得了全新的认识。那就是加在基因的碱基排列上的化学的修饰(基因修饰)的异常。基因修饰意味着什么呢,我们从受精的情形加以说明。
  哺乳动物受精时从精子(父)与卵子(母)各继承了一个同样的基因,通常两个基因都会显现作用。但是在显现作用的过程中,其中一个会受到抑制,仅另一个的机制显现作用。奏效的那个基因会调节所制造的蛋白质的量。
  在结构上,由于甲基(—CH3)粘在一方基因的碱荃排列上,显现那个基因的开关被控制在“中断”的状态。这种带甲基的基因标志被称为“印记基因”,是基因修饰的一种。在受精过程中印记基因起着非常重要的作用。迄今为止,在老鼠身上识别的印记基因约有70个。
  印记基因的存在,表明哺乳动物是通过双亲的基因相互补充,才使个体顺利地发生。在老鼠实验中,如果仅由父亲基因制作的胚(精核发生胚)或仅由母亲基因制作的胚(卵核发生胚),在妊娠10天左右都会死亡。
  这是因为两者基因表达的开关都打在通或断,发生所必需的蛋白质完全没有制造或是过分制造所致。即如果来自父亲和母亲的基因组没能融合在一起,就会造成不能很好发生的结构。
  通常精子和卵子受精后,会依次启动被印记在基因组上的程序构造身体。沿着这个程序,在体细胞的核上对印记基因或其他基因施行甲基化等修饰(外传的基因修饰)。如果这样,体细胞就能够扮演神经和肌肉等各个特定的角色。
  所以没有受精程序的克隆技术,将移植到卵子的体细胞核的程序返回到还未担负角色前的各种细胞具有的状态,即有必要获得全能性,此过程被称为“再编程”。但是几乎所有克隆胚的再编程好像都没有合适地进行。
  河野教授解释说:“实际在克隆鼠身上发生广泛的基因修饰的异常。因为在修饰起重要作用的印记基因等的表达变得不正常,才导致各种形态的异常。但是到底那个基因异常对应哪种异常还不清楚。”
  专家认为,能够平安出生的极少数克隆动物,可说是“再编程”碰巧完成的结果。但这是否是完美无缺的“再编程”,何以有那样顺利的“再编程”都不清楚。
  
  异常不会传给后代
  
  1998年4月多莉通过自然交配、妊娠,生下了第一个孩子“波尼”,其后多莉又先后生育了3个,证明克隆动物也有生殖能力。
  碱基排列上发生的碱基置换等异常肯定,传给子孙,但克隆的基因修饰的异常并不传给子孙。河野教授说:“这是因为在制造生殖细胞最初的阶段,带甲基的标志一下子被去掉了,成为精子、卵子时又被重新进行正常标记的缘故。”
  所以由克隆动物生出的后代未见异常。波尼是正常的,克隆鼠的后代也未见异常,这一事实已在河野的实验室得到确证。这些事实将成为证明克隆的异常起因于基因修饰异常的重要证据之一。
  克隆动物何以早衰、短命呢?
  多莉在死亡约1年前,被发现患有老年羊常见的关节炎症。由于当时多莉刚5岁半,还年轻,所以研究人员怀疑这是克隆技术带来的基因异常所导致的。
  如人类的皮肤那样每天都进行新陈代谢,其组织细胞常由新生的替代。但是一般细胞的分裂次数是有限的,在反复分裂的过程中,细胞的老化就会加剧。
  染色体的末端部分有称为“端粒”的结构,它扮演着减数计数细胞分裂的时钟作用。端粒是由6个碱基构成的排列反复出现几千次组成的结构。当反复分裂的次数达到50~60次时,细胞就不再分裂。
  研究出生不久的多莉细胞的端粒,发现其比同龄羊的短20%左右。这个恰恰相当于提供体细胞的雌羊的年龄(6岁)。那么克隆动物是否在遗传上就注定会寿命短,过于早衰而死亡呢?
  关于克隆动物的端粒长度有若干研究报告,有报告称克隆牛既有像多莉那样短的情况,也有像正常受精出生的个体一样长的情况。不可思议的是,也有报告称有比受精个体更长的情况。今井教授说:“因为个体的寿命受生理上的因素影响很大,所以不一定仅限制于连接端粒的长度。关于克隆动物的寿命有长短不同的各种报告,不能一概断言它们都短命。”
  
  寄予克隆技术的梦
  
  众所周知,制造克隆人,不仅涉及“亵渎人类尊严”这样伦理上的问题,而且从科学技术上看,还有堆积如山的未解决的课题,所以许多人对此持反对意见。
  但是克隆技术在畜产和医疗领域却有很大的发展空间。它使得像质鲜味美的高产牛这样高品质的食用家畜的大量生产成为可能;如果该项技术与基因重组技术结合,就可以建立在家畜体内生产药用物质的“动物工厂”;通过重组人的基因抑制排异反应,用作脏器移植的克隆猪研究也在进行中。
  因为克隆技术的诞生,“再生医疗”正备受期待。所谓的“再生医疗”,就是从自己的克隆胚制造因疾病损坏的身体部分,将它移植到患处进行治疗的方法。此外灭绝动物的再生或许也会成为可能。
  显然要实现这些梦想,就有必要查明克隆异常的原因。克隆技术能否造福人类,人们拭目以待。
其他文献
看到这位安静的绅士了吗?它是我们家的家宝,也是国家一级保护动物娃娃鱼的亲戚——蝾螈。  它长着火红的肚皮,披着黑色的外衣,经常在水中爬来爬去。小蝾螈很怕羞,见了陌生人就躲起来,但它一点儿都不害怕我,在我面前,总是一副慢吞吞、彬彬有礼的模样。  蝾螈绅士吃东西的时候很斯文,也很谨慎,可一旦碰上了蚊子或小甲虫,就会一改往日慢吞吞的脾气,毫不客气地快速爬过去,一口把食物吞进它扁扁的嘴巴里,好像生怕那些食
期刊