從高中生物學教材看我國克隆技術的發展

劉 丹

(人民教育出版社 北京 100081)

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

“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，而克隆技術就是指相應的技術操作。隨著分子生物學的發展，“克隆”的含義有所擴展，包括基因克隆、細胞克隆和生物個體克隆等。本文主要論述以細胞核移植技術為核心的生物個體克隆，體細胞克隆猴就屬于此類。

1 最早的魚類細胞核移植工作

在1998年12月出版的《全日制普通高級中學教科書(試驗本)生物 選修 全一冊》中第一次對細胞核移植技術進行了介紹，是以“課外讀——核移植技術漫談”的形式呈現的，其中重點介紹了我國科學家運用核移植技術培育了鯉鯽移核魚。這項研究成果由被譽為“中國克隆技術之父”的我國著名生物學家童第周先生帶領的研究小組取得。他們將鯉魚囊胚細胞的核移植到了去核的鯽魚未受精卵中，培育了發育成熟的“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，任何一個含有生物體基因組全部基因的細胞都有發育成為完整個體的潛能。但實際上，克隆動植物的差別很大。克隆植物無論是自然的、還是人工的，都普遍存在。然而，已經分化的動物細胞的核基因組是否能夠恢復其分化前的功能狀態，一直是克隆動物需要解決的重要問題。20世紀30年代，胚胎學家Hans Spemann就提出了動物細胞核移植的設想。但直到1952年，科學家R. Briggs和J. King才將已經分化的蛙囊胚細胞的核移植到去核的蛙卵細胞中，初步建立了核移植技術；并通過進一步改進技術，獲得了成功發育的幼蛙。童第周先生正是從中得到了啟發，他的研究團隊以金魚和鳑鮍魚為材料，于1961年開始了細胞核移植的工作。盡管當時技術手段落后、科研資源有限，但他們克服重重困難，自己設計了一種微量注射器，即在注射器的軸上裝一個彈簧，在注射器的頭上接一條塑料細管，細管的另一端由一根小橡皮管與一個毛細吸管頭相接，并將塑料細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胞有極體一側插入玻璃針將核挑除，或直接切除一小部分細胞質等高精度的操作。移植后的細胞有的發育成了正常的胚胎和幼魚[2]。

2 從胚胎細胞核移植向體細胞核移植發展

教科書發展到了現行的《普通高中課程標準實驗教科書 生物 選修3 現代生物科技專題》(以下簡稱“高中生物選修3”)，其中對核移植技術的介紹已不僅是課外閱讀層次了，除了在“專題2細胞工程”的“科技探索之路”中介紹了童第周先生的研究工作外，還在“動物細胞工程”一節單列一個標題“動物體細胞核移植技術和克隆動物”詳細講述了體細胞核移植的過程和應用前景。

在體細胞核移植技術取得突破之前，科學家開展得比較多的是胚胎細胞的核移植工作。我國科學家在魚類細胞核移植工作的基礎上也進行了相關嘗試，并于20世紀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胞中，然后用電刺激誘導兩者融合，成功獲得了用胚胎細胞克隆的兔[3]。同期，西北農業大學張涌教授的研究團隊選用陜北黑山羊的4～32細胞期胚胎和薩能奶山羊的次級卵母細胞分別作核供體和胞質供體，培育了世界上第一例用胚胎細胞克隆的山羊[4]。此后，科學家又相繼用胚胎細胞克隆了牛、豬等家畜。

相對于胚胎細胞，高度分化的體細胞恢復全能性要困難得多。直到1997年，體細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胞作為核供體產生的克隆綿羊多莉(Dolly)，自此細胞核移植技術開始進入體細胞核移植的飛速發展階段。我國國家基金會也專門設立了相關的研究課題。1999年，陳大元教授等將成年大熊貓的幾種體細胞作為供核細胞移植到去核兔卵母細胞中，嘗試異種體細胞克隆，以期解決我國瀕危動物大熊貓的繁育問題[5]。次年6月，西北農林科技大學的研究人員將傳代培養冷凍后的成年山羊耳朵皮膚成纖維細胞作為核移植的供體細胞，培育了世界第一例體細胞克隆山羊。在培育過程中，我國科學家進行了很多自主性的探索。例如，此研究是用離子霉素(ionomycin)聯合二甲氨基吡啶(6-DMAP)化學激活的方法來激活克隆胚胎，且采用了胞質內直接注射法(當時核移植一般是通過電刺激誘導細胞融合)等[6]。這一切表明，當時我國科學家已經掌握了世界頂尖的克隆技術。截至目前，我國已經自主培育了體細胞克隆牛、轉基因克隆山羊、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——核移植技術發展簡史”中，就有一張誕生在我國山東曹縣的體細胞克隆牛的照片。

3 體細胞克隆猴領跑世界

在高中生物選修3中有一張用胚胎細胞克隆的猴的照片，兩只小猴誕生于2000年。盡管科學家在近20年前就用體細胞克隆了哺乳動物，也用胚胎細胞克隆了猴，但是在與人類親緣關系最近的非人靈長類動物的體細胞克隆上，屢屢受挫，甚至有不少專家一度認為“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胞核在受體卵母細胞中很難完全恢復其分化前的功能狀態，這導致了胚胎發育率很低；另一方面是該類動物胚胎的操作技術尚不完善。

我國研究人員以胎猴的成纖維細胞作為供核細胞，首先在偏振光下去除了卵母細胞的細胞核，并將供核細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胞進入去核的卵母細胞中；在細胞融合1～2h后，用離子霉素和二甲氨基吡啶激活重構胚胎；進而，用組蛋白去乙酰化酶的抑制劑曲古柳菌素(TSA)處理重構胚胎10h，并將人的H3K9me3去甲基化酶(Kdm4d)mRNA注入激活后的重構胚胎，來促進囊胚的發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。經過大量的訓練，他們能在10s內精準地完成細胞的去核操作。體細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教材當中。

4 理性看待克隆技術

關于克隆技術存在的問題，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。當年培育克隆羊Dolly時，共獲得了277個融合的細胞，早期發育成功的胚胎數卻只有29個，移植后成功懷孕的母羊僅有1只[8]；培育體細胞克隆猴時，用了127個卵母細胞，獲得109個核移植胚胎，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]。可見，無論是克隆家畜還是克隆猴，都面臨著重構胚胎成功率低、植入代孕母體后胚胎著床率低、流產率高等問題，克隆技術還有很大的改進和完善空間。

還有人認為體細胞克隆猴成功了，克隆人離我們也就不遠了。雖然，從原理和技術層面看，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《普通高中生物學課程標準(2017年版)》里已明確要求課程內容包括： 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驗[9]。目前，針對生殖性克隆人，我國政府明確表示堅持上述四不原則，認為克隆人是對人類尊嚴的巨大威脅，且可能引起嚴重的社會、倫理、道德、宗教和法律問題。為此，相關部門還頒布了《人類輔助生殖技術管理辦法》《人類輔助生殖技術規范》和《人類輔助生殖技術和人類精子庫倫理原則》。

綜觀半個世紀以來我國克隆技術的發展，經過幾代科學家的努力，我們已經實現了從跟跑到領跑的歷史性跨越。而我們的高中生物學教材也緊密追蹤進展，為師生呈現了我國這一技術的發展和進步，在引導學生樹立與時俱進的觀念、培養民族認同感、提升愛國心和責任感等方面發揮了不可或缺的作用。