古怪的实验     ——有争议的克隆羊多莉问世的科学背景

李 晶译 柯林校


    1938年，在著名的德国胚胎学家施佩曼去世前几年，他思考着一个叫做核等效的长期争论的概念。施佩曼及其同时代的人都知道所有的动物细胞都含有一个核，即容纳细胞基因的膜包裹的结构。

在生命的最初阶段，那时的胚胎是由10个左右的细胞构成的，每一个核内的基因都有其最完备的潜能。用生物学家的行话说，每一个胚胎细胞都是全能性的：它们有能力使细胞组成眼睛、肝、脑或成年动物的任一其他部分。

然而随着胚胎发育，细胞失去这种能力。通过命令基因开启或关闭，细胞开始特化。一组胚胎细胞可能专门承担构成神经系统的任务，而另一组则制造肌肉。

细胞这种渐进的特化，也叫分化，提出了一个有趣的问题。一个分化细胞的核保留着构成一个完整生物体的奥秘吗?科学家们通常不考虑这种核等效观点，提出随着细胞特化，它们不可逆地改变它们的DNA甚或抛弃所有的基因。

    1952年，用蛙作研究的科学家们把核转移到自己的核已被除去的未受精卵中。头批实验用了早期蛙胚胎提供的核，那些胚胎细胞被认为是全能性的。其产生的蛙在死前只能达到幼体阶段。

从那时起，其他科学家已经改善了这种方法在蛙、鼠、羊、牛和最近在猴等各种种系的应用。在每一实例中，当极早期胚胎的核取代一个未受精卵的核时，其产生的后代都发育成一个能生育的成年动物。

这一技术通常是用一根纤细的中空的针除去卵的核。供体细胞借电脉冲融合到卵子内，电脉冲破坏供体细胞的外膜并使卵子包裹住其新的核。

虽然早期胚胎核的移植被证实是成功的，但研究人员们在较晚期的核晚期胎儿或成年人的细胞转移方面却几乎总是失败。这类结果似乎证实核在发育过程中经历了不可逆的变化。

然而，少数实验提供了相反的线索。值得注意的是，50年代末和60年代初，英国牛津大学的格登证实，蝌蚪细胞的核移植可能产生能生育的成年蛙。他还证实取自成年蛙的核的移植产生了蝌蚪，尽管这种蝌蚪在完全成熟前就死亡了。发育生物学协会当选理事长斯科特提出，鉴于核移植领域如此富有成果的历史，从一个成熟细胞克隆的多莉只是一个“轻微的惊奇”。

然而，当试图用成年细胞克隆鼠总是失败，甚至格登的蛙实验还未完全成功的时候，苏格兰的科学家们是怎样设法产生多莉的呢?

成熟细胞核移植的关键似乎是一种奇迹，科学家们称其为核重编程序或染色质改型。斯科特解释：“染色质实际只是表示构成染色体物质的蛋白质、DNA和小分子混合物的一个词。”

虽然看起来大多数核在分化过程中没有经历不可逆的改变，但研究人员们发现，成熟细胞核内的染色质明显不同于卵细胞内或早期胚胎细胞内的染色质。随着细胞分化，像甲基这类原子团锁在DNA上；这些原子团中的某些使染色体上特定的基团钝化。此外，形成染色质核心部分的一些蛋白质看来好像随时间而变。

因此，要一个成熟核行为像全能核一样需要青春泉的遗传等效。这样一种返老还童的公式似乎存在于卵细胞内。在马里兰贝塞斯达的国立儿童保健与人体发育研究所的沃尔夫说，漂浮在卵子内的蛋白质和其他分子能与移植的核相互作用以恢复其活力。

一个卵子对一个核施加这种影响的特定的分子机制刚开始被揭示。例如，在1996年11月1日的《EMBO》杂志上，沃尔夫与一位同事描述了一个卵子蛋白如何诱导一个成熟蛙细胞的核排出某些染色质蛋白并合并其他更适合卵核的蛋白。蛋白质的这种互换启动了几个以前关闭的基因。

为了从一个成熟细胞克隆一个动物，科学家们曾不得不寻找帮助卵子的核重编程序的方法。这正是在爱丁堡罗斯林研究所制造多莉的小组的威尔姆特及其同事认为是他们发现的。

他们的诀窍是使成熟细胞挨饿。由威尔姆特的同事坎贝尔发明的这种方法是剥夺预定的供体细胞在多莉的实例中是乳腺细胞几乎全部营养5天。

这种节食诱使这些细胞放弃它们生长和分化的正常周期并进入静止期。这种细胞如果有的话也只有很少被活化的基因，因此威尔姆特提出，这种饥饿法促使某种原始染色质改变，因而使卵细胞更容易完成这一工作。

然而，威尔姆特和其他研究人员警告多莉仍可能是个侥幸成功的例子。毕竞，罗斯林小组曾把277枚供体细胞与卵子融合而只产生了一个存活的动物。

剥夺营养“对威尔姆特小组来说是整个研究中唯一新颖的方面。它可能是关键，但当数百次尝试产出一个幼仔时，那就难说了”，穆尔如是说。

为何威尔姆特及其同事多年来坚持从胚胎、胎儿和现在的成熟细胞制造克隆羊呢?在很大程度上，商业利益激发了这一努力。克隆研究是由PPL公司资助的。这家位于苏格兰的生物技术公司曾对遗传改变雌性动物使其将有价值的药物分泌在其乳汁中感兴趣。例如，通过将人基因加入羊体，该公司已经制造出一些动物，它们提供大量有望在囊性纤维变性治疗中起作用的一种蛋白质。

这种方法已面世多年，但像PPL这类公司在制造产药动物方面曾面临一个重大障碍。传统方法是把一个人基因的许多拷贝注射到一个新受精的卵中然而，这是一种类似玩轮盘赌的方法。注射的基因很少与该卵子的基因组融为一体，因而所制造的产药后代为数很少。

威尔姆特及其同事希望为更有效的遗传改变动物的方法奠定基础。在他们的克隆方法中，在把核移植到卵子中以前，科学家只有很短的时间能在实验室生长供体细胞。在此期间，威尔姆特的小组计划人工操纵这种细胞，增加或删除基因。然后那些科学家们只移植被有效改变的细胞的核，因此大大增加了他们制造一种商用动物的可能性。然后，他们利用该动物去生产一个群体，反复克隆。

除了产药牲畜外，人类疾病的新动物模型可能从这种克隆技术的发展产生。威尔姆特在上月参院意见听取会上说，他对给大动物添加引起囊性纤维变性的变异人基因特别有兴趣。他声明：“羊将提供这种病的出色的模型。”

克隆的另一被大加谈论的应用是根据人们的要求制作动物，很可能是猪，使得它们的器官能被移植到人体内。这项有众多理由引起争议的技术取决于发现制作对人免疫系统来说似乎不像外来物的动物器官的方法。有了一种有效的克隆技术，研究人员或许能从猪身上删去其蛋白告诉人免疫系统去排斥外来器官的基因。

在理论研究的最前沿，有些科学家提出，这项最近的克隆研究工作或许提供了有关在细胞内重编基因程序的医用信息。这种知识或许能使他们从未分化的细胞产生完整的器官或哄骗癌细胞采取较少危害的形式。

威尔姆特反复强调，克隆技术仍处于其早期而且有许多问题还未解决。

从某种意义上说，多莉甚至不是一个真正的克隆----她并不与她的供体分享她全部的基因。正如许多科学家指出的，几十种基因存在于叫做线粒体的产生能量的细胞器中。因为只有一个成熟母羊细胞的核被转移到卵子内，所以多莉的线粒体来自这个受体卵子。

威尔姆特及其同事不知道这种基因混合是否重要。他们既不知道多莉是否能生育也不知道她是否有正常的寿命。

关于后者，产生多莉的核有6年龄。被移植的核的染色质的再改造是否重定其年龄还不详。如果它不重定年龄，则多莉的生命可能有历史意义但很短暂。

此外，多莉是用成熟羊细胞进行克隆的277次尝试中唯一存活的。穆尔说，该小组低成功率的一个解释可能是电脉冲哄骗卵子发育所致。他和其他研究人员发现，这些电脉冲并不总是触发卵子内在精子到来时触发的相同信号。

围绕多莉的最明显的令人不安的问题是她是否是人克隆的先兆。从一开始，威尔姆特就一直强调，没有合理的理由为克隆人作辩护。他说，此外，已知目前缺乏有关克隆如何奏效的知识，所以这类试验太危险。“过去，我们曾培育出有明显畸形的羔羊。”

威尔姆特和其他科学家提出，根本的科学障碍可能妨碍通过核移植方式的克隆人。其一可能是物种间具有不同的发育速度。例如，一个发育的胚胎不直接利用其基因。在最初的细胞分裂时，它取决于未受精卵已有的蛋白和遗传指令。

宾夕法尼亚大学的舒尔茨强调，胚胎启动其基因的时间各物种有所不同。他解释，鼠胚胎迅速激活其基因，羊要等长得多的时间，而人胚胎在它们两者之间。

羊胚胎基因组相对迟的活化或许是克隆多莉成功的关键，因为这给了被移植的核被重编程序的更多时间。人胚胎或许不能为这种染色质改型提供足够的时间，因此妨碍了用成熟细胞的人的克隆，舒尔茨如是说。

这种潜在的限制或许为不想谈论人克隆的伦理窘况的人提供了安慰，并减轻了对这种古怪实验将很快成为整个动物王国常规的忧虑。

施佩曼不这么肯定。在1938年的一篇论文中，他提出一个可能解决这一争论的实验：除去一个未受精卵的核，并用一个分化细胞的核替代它。

这种“古怪”的实验，施佩曼对它的称谓，超出了他那个时期的技术水平。然而今天，在施佩曼提出核移植方法后近60年，苏格兰的科学家们用这种方法创造出一只名为多莉的羔羊而震惊了全世界。

由于这是首次通过克隆从成熟核产生哺乳动物，这种古怪的想法已变成现实，而且生物学家们正努力解释多莉并想了解用于制造她的方法能否实际应用。

多莉诞生引起的主要争论之一是“克隆”是何含意这个棘手的问题。密歇根州立大学在试管内进行非人灵长类受精研究的杜克洛强调，“克隆不是一个真正的科学词汇，而不幸的是它有许多许多意思。”

在其最常用的例子中，克隆意味着创造一个在遗传方面与另一生物体相同的生物体。有些科学家用这一词包括一个更准确地称为胚胎分裂的过程。在已被动物饲养员应用了几十年的这一过程中，科学家们取一个仍由全能细胞组成的幼小的胚胎，并把它一分为二、或一分为三或一分为四。其每一部分都能发育成正常的动物，所以这一过程产生双胞胎、三胞胎或四胞胎。

施佩曼想像的实验用另一个细胞的核取代一个未受精卵的核是大多数科学家称之谓克隆的实验。英国剑桥巴布拉汉姆研究所2年前在《发育生物学当前论题》上评论这一领域的穆尔指出，核移植不是什么新技术。

摘自寰宇科技网