2012年4月12日 星期四 生命科学导论精品课程欢迎你!
克隆生命从这里开始——浅谈基因工程技术

一只轰动世界的小羊——“多莉

19967月里的一天,对英国爱丁堡罗斯林(Roslin)研究所由伊恩·维尔穆特(I. Wilmut)领导的科学研究小组全体成员来讲,是一个令人激动的日子。对全世界来说,也是值得庆贺的一天。因为在这一天,一只妊娠了148天,体重为6.6千克, 编号为6LL3的小羊来到了这个世界。这只羊的身世与众不同,它既无父亲,又无母亲,它是科学家们用克隆技术复制出来的一只小绵羊。经过几个月的精心呵护,这只身世不凡的小绵羊茁壮成长,并获得了一个动听的名字——多莉(Dolly)。

1997223日,伊恩. 维尔穆特科学研究小组向全世界宣布了他们的研究结果,英国的“自然”杂志(Nature)于1997227日全文刊登了他们的实验结果。这一消息立刻轰动了全世界。各国的报刊,电台,电视台等媒体对此结果纷纷进行了报道和评述。科学家和大学教授也纷纷被邀请到各种媒体讲解,评论“多莉”的身世和它的出生对科学研究、经济发展和社会进步的影响。许多国家的政府官员也纷纷发表讲话,明令不准将“多莉”克隆技术用于人类。由于各种媒体的大量传播,一个新的名词已为广大民众所逐渐知晓?“克隆”。

什么是克隆

“克隆”一词源于“Clone”的音译,它既可作名词也可做动词用。当作名词用时,克隆是指一个无形繁殖系;当用作动词用时,克隆则是指利用不同方法产生无形繁殖系所进行的工作。简言之,克隆作动词用时是指研究或操作过程,作名词用时是指产生的结果。

克隆可根据其研究或操作的对象分为基因克隆、细胞克隆和个体克隆三大类。基因克隆是指在分子(DNA)水平上开展研究工作以获得大量的相同基因及其表达产物,这将是本书介绍的重点,以后还要作进一步介绍。细胞克隆则是在细胞水平上开展研究工作以获得大量相同的细胞。个体克隆则是经过一系列的操作产生一个或多个与亲代完全相同的个体,这种克隆所用的生物材料可能是一个细胞,也可能是一个组织。很显然,基因克隆,细胞克隆和个体克隆是在三个不同的层次上所开展的工作。以原有的基因或细胞或生物个体作为模板,复制出多个与原来模板完全相同的基因或细胞或生物个体来。这就有点像大家利用复印机复印资料,或用胶片冲洗照片一样,从原有的资料或底片复制出许多完全一样的资料或照片来。

在长期的生产实践和科学研究中,人们已经掌握了许多克隆技术。“有心栽花花不成,无心插柳柳成荫”的诗句可以说是家喻户晓,诗句中的“插柳”实际上就是一个“克隆”过程,即把柳枝切成小段,插入土中。一段时间后,它就可以长出根来,并逐渐长成一棵小柳树。农民种红薯时,先将一根红薯藤剪成若干小段,然后将每一小段栽插在土里,几天以后,红薯藤就会长出根来,然后逐渐长成一根完整的红薯藤。植物中还可以举出许多类似的例子。因此,人们对克隆不应该是陌生的,只是熟视无睹罢了。此外,科学家们利用组织培养技术也能使许多植物的不同组织再生成一棵完整的植株,而且已被广泛地应用于生产实践中。这种组织培养技术实际上也是一种克隆技术。

既然克隆植物如此之容易,一只克隆羊为何又使全世界如此轰动?这还得从动物的繁殖方式说起。

动物的无性繁殖和有性繁殖

众所周知,自然界中所有的生物可根据有无真正的细胞核划分为原核生物和真核生物。无真正细胞核的细胞叫做原核细胞,由此种细胞组成的生物叫做原核生物;有细胞核的细胞称之为真核细胞,而由真核细胞组成的生物称之为真核生物。所有生物的繁殖方式也可划分为两大类:无性繁殖和有性繁殖。

对于无性繁殖的生物而言,每个生物个体无雌雄之分,它的个体数量的增加完全依靠细胞的不断分裂,这类生物主要包括所有的原核生物和一些低等真核生物,比如人们所熟知的细菌、放线菌、酵母菌、藻类和霉菌等。

对于进行有性繁殖的绝大多数生物而言,有的生物是雌雄同体,绝大多数植物就是雌雄同体,而大多数动物则有性别之分,每个个体不是雌性,便是雄性。它们产生后代必须要有雌雄个体所产生的性细胞间的结合,这种性细胞间的结合过程叫做受精。真核生物都可以以有性繁殖方式产生新的个体。对于单细胞真核生物(即一个细胞就是一个生物体)而言,每个细胞都具有完全的生物学功能,即细胞的全能性,因此它们也可以以无性繁殖的方式繁衍后代。对于由多细胞构成的真核生物个体,细胞的功能有了明确的分工,越是高等的生物,其细胞的功能划分越精细。虽然每个细胞都有全套的遗传信息,但每个细胞都根据各自执行的生物学功能只利用了全部遗传信息中的很小一部分,其余的遗传信息则在细胞的发育过程中被全部关闭。这种细胞功能的分工,一方面导致细胞全能性的丧失,另一方面则使多细胞真核生物个体的细胞有了性细胞和体细胞的区别。性细胞负责将全套遗传信息传递给后代;体细胞则执行各种生理学功能,比如人的肌肉细胞负责运动、神经细胞负责传递各种信号等,体细胞也可以经过细胞分裂将遗传信息传递给子细胞。要注意性细胞和体细胞传递遗传信息的区别:前者是为了物种的延续,后者是为了当前个体的正常生长和发育。

性细胞又可分为雌性细胞和雄性细胞。对于雌雄同体的生物而言,每个个体既可以产生雌性细胞,又可以产生雄性细胞;对于雌雄异体的生物而言,雌性个体和雄性个体分别产生雄性细胞和雌性细胞。不同类型生物产生的性细胞常有特殊的名称,如动物的雄性个体产生的性细胞常称之为精子,雌性个体产生的性细胞则称之为卵子。雌雄同体的生物当然既能产生卵子又会产生精子。性细胞有时又称之为配子。不管是精子还是卵子,它们都有一套完整的遗传物质。

精子和卵子结合后形成一个受精卵,于是受精卵里就有了两套遗传物质。受精卵经过细胞分裂、分化和发育过程逐渐形成一个新的个体。细胞分裂是指由一个细胞变成两个细胞的过程。细胞的分化则是指在细胞分裂过程中产生具有不同功能细胞的过程。发育则是指从受精卵到逐渐形成成熟个体的过程。动物成体的体细胞是已经发育成熟的细胞,因此,它可以进行细胞分裂,但分裂的细胞依然执行相同的功能,它们不再发生分化,更不能发育成一个新的个体。由此可以看出,动物个体的增加是以有性繁殖方式进行的。我们知道,同一对雌雄个体产生的所有后代都是不相同的。因此,要想通过有性繁殖过程产生与亲代完全相同的个体是不可能的。

虽然植物的无性繁殖并不是一件难事,但是动物的无性繁殖却不是一件易事,特别是利用动物的体细胞建立无性繁殖系。早在1975年就有科学家在“自然”杂志上报道过将成年青蛙的体细胞核转移到已除去细胞核的卵子中,这种细胞也可以分裂、分化并逐渐发育,但到蝌蚪期就停止了,不再发育成青蛙。这是一个利用体细胞克隆青蛙的例子,但未获得最后的成功。科学家们也曾利用青蛙的卵子进行过无性系的建立,并获得了成功,这是一个利用性细胞进行动物克隆的例子。就是伊恩. 维尔穆特领导的科学研究小组,也曾经利用羊的胚胎细胞进行过无性繁殖,并获得了成功,但从严格意义上讲,胚胎细胞并不是体细胞,它是没有完成整个发育阶段的细胞。因此,要用体细胞创造一个无性繁殖系,其难度并不亚于人类的太空旅行。既然动物体细胞的克隆是如此之难,那麽,伊恩·维尔穆特教授领导的科研小组又是如何获得“多莉”的呢?

多莉的身世

“多莉”的产生与三只母羊有关;一只是怀孕三个月的芬兰多塞特母绵羊,两只是苏格兰黑面母绵羊。芬兰多塞特母绵羊提供了全套遗传信息,即提供了细胞核(称之为供体);一只苏格兰黑面母绵羊提供无细胞核的卵细胞;另一只苏格兰黑面母绵羊提供羊胚胎的发育环境子宫,是“多莉”羊的“生”母。其整个克隆过程简述如下:

1 多莉羊的克隆

 

  1. 从芬兰多塞特母绵羊的乳腺中取出乳腺细胞,将其放入低浓度的营养培养液中,细胞逐渐停止了分裂,此细胞称之为供体细胞;
  2. 从一头苏格兰黑面母绵羊的卵巢中取出未受精的卵细胞,并立即将其细胞核除去,留下一个无核的卵细胞,此细胞称之为受体细胞;
  3. 利用电脉冲的方法,使供体细胞和受体细胞发生融合,最后形成了融合细胞,由于电脉冲还可以产生类似于自然受精过程中的一系列反应,使融合细胞也能象受精卵一样进行细胞分裂、分化,从而形成胚胎细胞;
  4. 将胚胎细胞转移到另一只苏格兰黑面母绵羊的子宫内,胚胎细胞进一步分化和发育,最后形成一只小绵羊。

出生的“多莉”小绵羊与多塞特母绵羊具有完全相同的外貌。“多莉”出生后生长正常,并于1997年底与一头威尔士高山羊自然交配怀孕。在1998413日凌晨4时生下了一只雌性的体重为2.7千克的小羊羔,取名为“邦妮(Bonnie)”。这说明生世不凡的“多莉”具有正常的生育能力。

随着“多莉”的诞生,不同的实验室也宣称成功地克隆出了猪、猴和牛等,他们所用的生物材料也都是体细胞。

动物的体细胞克隆

上面已提到青蛙的性细胞克隆和其它动物的胚胎细胞克隆,同时也简单地描述了羊的体细胞克隆,为什麽科学家对体细胞的克隆如此钟情?其原因有以下几点:一是因为性细胞或胚胎细胞的形成都有一定的时间限制;二是性细胞或胚胎细胞形成的数量有限;三是性细胞的形成要通过一个减数分裂过程,在这一过程中,遗传信息要发生分离和自由组合,从而造成每个性细胞中的遗传信息不尽相同,如果直接用性细胞进行克隆工作,就会造成每个克隆个体都不相同。利用胚胎细胞进行克隆,结果也差不多。第三点是最重要的。

对一个优良的个体,它的体细胞数量巨大,而且还可以利用细胞培养的方法进行离体的体细胞培养,因此,动物体细胞的获得不会受到时间和数量的限制。最重要的是同一个个体的所有体细胞都具有同样的遗传信息。如果用体细胞来直接繁殖后代,不仅可以保证每个克隆个体具有相同的优良性状,而且可以使“复制”出的个体数量巨大。尽管动物体细胞的全能性已经丧失,但是科学家们仍然孜孜不倦寻求全能性恢复的条件,并且最终获得了成功。

虽然“多莉”产生了世界性的轰动效应,备受科学家们的称赞,但也有科学家对“多莉”的身世提出过质疑。其最关键的质疑就是产生“多莉”的那个供体细胞的类型。前面已经介绍过,供体细胞来自怀孕三个月的芬兰多塞特母绵羊的乳腺细胞。虽然怀孕三个月的胚胎或胚胎细胞被严格地限制在子宫里,胎儿细胞很难通过胎儿被膜进入母羊的血液,但极个别的胎儿细胞可能穿过重重障碍进入血液的可能性并不是不存在,从而可能使取样的乳腺细胞中混有胎儿细胞。因为胚胎或胎儿细胞都可以发育成小羊,因此“多莉”可能是污染的胚胎细胞所致,尽管这种可能性极小。不过,利用现代分子生物学方法可以很容易把上述两种情况区分出来。由于怀孕多塞特母绵羊体细胞和它所怀孕的胚胎细胞具有不同的遗传信息,因而“多莉”的身世还是容易被验明正身的。由此可知,研究中的生物材料的选择是十分重要的。为了避免发生这种质疑,科学家们选取发育成熟但从未怀过孕的动物进行克隆工作。

动物克隆的重要意义

由于动物体细胞克隆可以复制出的数量巨大的优良个体,因此动物克隆技术可以首先应用于畜牧业育种上。目前在动物育种中所采用的方法主要是杂交育种,即把两个具有不同优良性状的雌雄个体进行交配,然后在后代中去选择人们所需要的个体。要获得一个优良品种,往往需要几年甚至几十年的时间,而且必须不断地进行育种。如果采用动物个体克隆技术,就可以大量复制出人类所需要的优良个体,还可以大大缩短育种时间和节省大量的人力、物力。

如果将个体克隆技术用于生物医学方面,将会产生巨大的经济效益。目前有许多基因工程产品是由微生物细胞或动物细胞产生的,但有的基因工程产品则是由转基因的动物个体产生的,比如人乳铁蛋白、抗凝血酶、血清白蛋白等医用蛋白质。这些蛋白质的价格十分昂贵。要获得一个高效表达这些基因的转基因动物往往需要投入大量的人力和物力,但是要想使具有如此优良性状的个体稳定地长期保存下去,几乎是不可能的。因为转基因动物不仅能正常生长,而且还应有正常的生殖能力。当这种个体与异性个体交配后,常常不能保证每个后代个体都仍然保持与亲代相同的优良性状。如果利用动物克隆技术,就可利用转基因动物的体细胞大量复制出具有相同优良性状的个体。很显然,将基因克隆和个体克隆两种技术结合起来,将会对人类的生活产生深远的影响。

由于体细胞的细胞核在卵细胞的细胞质中重现了受精卵的分化和发育过程,因此直接利用个体克隆技术可以研究细胞发育过程中不同基因的表达规律和调节控制机理,这将对细胞发育生物学的发展产生重要的影响。

利用个体克隆技术,可以建立起稳定的动物模型。这将有利于揭示基因结构和功能间的关系,揭示生命的本质。这对于研究人类疾病的发病机理有着特别重要的意义,并为建立新的临床治疗方案提供理论依据。

已有的研究结果表明:有的动物的器官与人的器官十分类似。这就是说,总有那么一天,人们可以用动物的器官来进行人的器官移植,而不必再利用人的器官,这将拯救许多人的生命。因此,利用动物克隆技术就可以获得足够量的动物器官用于人类器官移植。

动物克隆技术还有可能用于延缓珍稀濒危动物的灭绝。

“科学是一柄双刃剑”,善良的人们可以利用它来为人类服务,为人类造福,而邪恶的人们却能用它来危害人类的生存。由于羊和人类都是哺乳动物,因此,羊的克隆技术也可以用于其它哺乳动物的克隆,也包括人。如果有人利用个体克隆技术来克隆人,那会给人类带来无穷的灾难,这说是为什麽许多国家的政府官员明令不准将动物的克隆技术用于人类。民众对克隆人的看法如何呢? 美国广播公司(ABC)曾做过一次民意测验,结果表明:87%的人反对进行人的克隆,82%的人认为克隆人不符合人类的传统伦理道德,93%的人反对复制自己,53%的人认为如果将人的克隆仅限于医学目的还是可以的。因此,我们也必须遵循人类的共同法则,反对将羊的克隆技术滥用于人类。

随着人类社会的不断发展,人们的观念也会不断发生变化。比如过去也有许多人对于开展试管婴儿工作持反对意见,但现在试管婴儿已为人们所接受,因此,也很难预料今后人们对克隆人持何种态度。如果即使有那么一天,人们也接受了将克隆羊的技术应用于克隆人,那么我们就应该象现在对待试管婴儿那样:

不必为克隆人担心

尽管现在已有许多政府明令不准将克隆动物的技术用于克隆人,而且也有许多人反对这样做,但在美国和英国,已有科学家宣布了克隆人的计划。不过我们实在用不着为此担心。如果将动物体细胞克隆技术用于人,那么不仅会造成许多社会问题而遭到世人反对,而且从科学角度讲也会有许多无法跨越的障碍。一是要大规模复制人的可能性很小,虽然现有的动物体细胞克隆技术用于人不会有多大的技术难度,但复制人需要高昂的费用和需要有人提供卵子并愿意为其怀孕;二是以谁作为模板人来进行大规模复制。生活在这个世界上的人,可以这样说,没有一个人是十全十美的,不管他(她)有多么健壮的体质或有多么绝顶聪明或两者兼而有之。因为人不仅应具有所有动物的本能,即生存能力,同时还需要有相当智力和社会活动能力,这就是说,人不仅要有先天的遗传物质基础,也要有后天的努力。对于先天的遗传物质基础,我们至今并不知道人的全部本质,即人的基因组结构和功能还要有相当一段时间才能了解,因此,即使一个既有健壮体质又是绝顶聪明的人,他(她)的遗传物质基础不见得就是尽善尽美的;三是具有相同遗传物质的大量人群(即使上述两个问题都解决了,可以复制出大量的“优秀”人物)往往是最容易消亡的群体。这是因为地球上的生物多样性的本质就是遗传多样性,遗传多样性有利于物种的延续和保存。换言之,生物需要通过有性繁殖来进行遗传物质的交换和扩散,以保持其遗传多样性。遗传多样性的贫乏则往往会导致物种的灭绝。由于复制人都有完全相同的遗传物质,那么他(她)们就是最容易灭绝的人群,因此我们不必担心有谁敢去大量复制自己,即使他是一个亿万富翁,他何必花巨资去买一个家族的灭亡。

动物克隆与基因克隆

大规模克隆动物与大量复制人不一样,它往往不会受到上述三种因素的制约,因为克隆动物不会有社会问题,选择的复制动物模板也不需要十全十美,而是根据人的需要进行选择。比如对奶牛的要求就是每日产奶量高,品质好,但这种奶牛可能生存能力较差或对病害比较敏感等,人类可以根据克隆动物的需要来调整其生存环境,使其有一个舒适的环境,包括食物种类与配比,清洁的空间,免遭病害等。随着人们生活水平和质量的不断提高,人们往往会不断的提出新的要求,因此要不断的建立起可用于复制的模板动物。

很显然,利用常规的育种技术(即利用具有不同优良性状个体间的交配)是不可能获得人类所需的特殊动物品种,因为常规育种技术很难突破物种的界限。比如要想让某种动物产生人乳铁蛋白或抗凝血酶或人的血清白蛋白,由于动物不具有这些基因,因而就必须先将人的乳铁蛋白或抗凝血酶或血清白蛋白基因先克隆出来,然后分别转入到选择的动物中去,建立起转基因动物,最后用动物克隆技术进行转基因动物的大规模复制。因此,基因克隆技术应是建立转基因动物模板的核心和关键性技术。

基因和基因工程

目前世界许多国家将生物技术,信息技术和新材料技术作为三大重中之重技术,而生物技术可以分为传统生物技术,工业生物发酵技术和现代生物技术。现在人们常说的生物技术实际上就是现代生物技术。现代生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等五大工程技术。其中基因工程技术是现代生物技术的核心技术。

既然基因工程技术是如此之重要,那么什么是基因工程呢?基因工程(genetic engineering)是指在基因水平上,采用与工程设计十分类似的方法,按照人类的需要进行设计,然后按设计方案创建出具有某种新的性状的生物新品系,并能使之稳定地遗传给后代。根据这个定义,基因工程明显地既具有理学的特点,同时也具有工程学的特点。“基因”这个名称已在多处提到,那么基因又是什么呢?根据国内外的教科书和权威辞典上的解释加以综合,“基因”(gene)应定义为:基因是一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。

基因工程的核心技术是DNA的重组技术,也就是基因克隆技术。重组,顾名思义,就是重新组合,即利用供体生物的遗传物质,或人工合成的基因,经过体外或离体的限制酶切割后与适当的载体连接起来形成重组DNA分子,然后在将重组DNA分子导入到受体细胞或受体生物构建转基因生物,该种生物就可以按人类事先设计好的蓝图表现出另外一种生物的某种性状。比如前面已提到的用动物来生产人的乳铁蛋白,抗凝血酶和白蛋白。除DNA重组技术外,基因工程还应包括基因的表达技术,基因的突变技术,基因的导入技术等。有关这些方面的技术将在以后相应的章节中予以介绍。

由于基因工程是在分子水平上进行操作,最终是为了创造出人们所需要的新品种,因而它可以突破物种间的遗传障碍,大跨度的超越物种间的不亲和性。比如在基因工程中最常使用的大肠杆菌,它是一种原核生物,但它却能大量表达来自于人类的某些基因。例如各种人的多肽生长因子基因就可用大肠杆菌来生产。如果用常规的育种技术来做同一项工作,那么成功的机会应为零。因此,科学家们可以利用基因工程实现人类的各种物种改良的愿望。

因为现在生活在地球上的各种生物都是经过长期的生物进化演变而来,虽然不能说它们都很能适应现在的生态环境,但至少可以说它们基本上都能适应当前的生态环境。这也就是说,每种生物体内或细胞内都处于精巧的调节控制和平衡之中。当用基因工程方法引入一段外源基因片段后,原有的平衡可能被打破,有可能导致细胞内的生物学功能发生紊乱,最后有可能导致细胞生长缓慢乃至细胞死亡。很显然,开展基因工程研究的目的既要使细胞象往常一样正常生长,又要使细胞产生甚至大量产生人类所需要的外源基因表达产物。

基因工程如此之重要,那么基因工程可以应用在哪些领域或行业?

基因工程的应用范围

科技或科学技术实际上是科学和技术两个名称构成的,它们是两个既有联系又有区别的概念。科学主要是指发现自然界的规律,创建各种与自然界规律相适应的理论;而技术则是指在探索自然规律时所使用的一些方法。一些新的科学发现或新理论的建立,会导致一场技术革命,新技术新方法的建立又会推动新的自然规律的发现,因此,两者是相互促进的。

70年代起逐步建立起来的基因工程技术,使基因或一些具有特殊功能的DNA片段的分离变得十分容易。这些基因或特殊DNA片段的一级结构(即它们的核苷酸序列)的测定也是十分容易的,由基因的核苷酸序列去推测蛋白质的氨基酸残基的序列也变得轻易而举。利用计算机技术可以很容易的对推测出来的蛋白质进行高级结构的分析,可以对来自不同生物种类的基因序列进行同源性分析。所有这些方法或技术的广泛使用,不仅大大地推动了分子生物学的迅猛发展,而且也大大推动了生命科学各个分支领域的迅速发展。因此,基因工程技术的第一个重要应用领域就是大大的推动了科学理论研究的发展。

由于基因工程是从遗传物质基础上对原有的生物(常常称之为受体生物)进行改造,经过改造的生物就会按照研究者的意愿获得某种(些)新的基因,从而使该生物获得某些新的遗传性状。这种性状可以用人的肉眼直接观察到,也可能是通过某些反应或仪器间接观察到。这种受体生物可能是微生物,植物或动物,因而它会涉及到许多生产行业。

从图2中可以看出,基因工程技术几乎涉及到人类的生存所必需的各个行业。比如将一个具有杀虫效果的基因转移到棉花、水稻等农作物种中,这些转基因作物就有了抗虫能力,因此基因工程被应用到农业领域;要是把抗虫基因转移到杨树、松树等树木中,基因工程就被应用到林业领域;要是把生物激素基因转移到支物中去,这就与渔业和畜牧业有关了;如果利用微生物或动物细胞来生产多肽药物,那么基因工程就可以应用到医学领域。总之一句话,基因工程应用范围将是十分广泛的。

上海交通大学生命技术学院 版权所有 2008 Copyright 2008 by SJTU Life Science
意见建议请与cf2001@sjtu.edu.cn 联系! Design By runyoo.cn