科技前沿---發(fā)育 克隆　轉(zhuǎn)基因

發(fā)育

什么是人生的最關(guān)鍵時(shí)刻?比如對(duì)于學(xué)生來說，考上大學(xué)是非常關(guān)鍵的時(shí)刻，畢業(yè)以后找到合適的工作，或是出國留學(xué)也是非常關(guān)鍵的時(shí)刻；但是從發(fā)育生物學(xué)的角度看，最關(guān)鍵的時(shí)刻是當(dāng)精和卵結(jié)合形成受精卵，到懷孕后第7—12天的時(shí)候即最關(guān)鍵的原化階段。

發(fā)育是生命科學(xué)的重要問題。發(fā)育最開始是從父親提供“半個(gè)”細(xì)胞，母親提供“半個(gè)”細(xì)胞(實(shí)際是各提供1個(gè)性細(xì)胞)開始的。從遺傳的組成來講，當(dāng)這兩個(gè)“半個(gè)”細(xì)胞合起來的時(shí)候，形成一個(gè)新的細(xì)胞，我們叫它受精卵，然后受精卵產(chǎn)生分裂，一分二、二分四，這樣連續(xù)地分裂下去?，F(xiàn)在我提一個(gè)問題，實(shí)際上這也不是我個(gè)人提出的問題，即什么是人生的最關(guān)鍵時(shí)刻?比如對(duì)于學(xué)生來說，考上大學(xué)是非常關(guān)鍵的時(shí)刻，畢業(yè)以后找到合適的工作，或是出國留學(xué)也是非常關(guān)鍵的時(shí)刻。但是從發(fā)育生物學(xué)的角度看，什么是人生的關(guān)鍵時(shí)刻?出生，并不是最關(guān)鍵的時(shí)刻，結(jié)婚，組織一個(gè)家庭也不是關(guān)鍵的時(shí)刻，最后舉行一個(gè)隆重的葬禮，更不重要，因?yàn)檫@時(shí)人已經(jīng)不存在了。然而最關(guān)鍵的時(shí)刻在這里，當(dāng)精和卵結(jié)合形成受精卵，到懷孕后第7—12天的時(shí)候即最關(guān)鍵的原化階段，也叫原腸化階段。為什么最關(guān)鍵呢?我想引用童第周教授常說的話，即究竟是什么決定了我們的眼睛長在頭上，我們的手長在胳膊上，胳膊長在肩膀上，而腿長在下面?是什么決定的?這種形態(tài)建成的決定，實(shí)際上是在原腸化的階段。這是非常關(guān)鍵的時(shí)刻，如果在這個(gè)時(shí)刻稍微有點(diǎn)錯(cuò)位，基因的表達(dá)或是細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)稍微有些錯(cuò)位，就會(huì)出亂子。原腸化實(shí)際是細(xì)胞不斷分化和定位的過程，發(fā)生在人胚發(fā)育第7—12天。這時(shí)的細(xì)胞分化和運(yùn)動(dòng)，就像開瓶的啤酒一樣，從上往下運(yùn)動(dòng)，并向里面卷，最后形成中間的空洞，這個(gè)過程就是原腸化。在這個(gè)原腸化完成的時(shí)候，將來眼睛長在什么地方，手長在什么地方，腳長在什么地方，都在這個(gè)時(shí)候決定下來。細(xì)胞和發(fā)育應(yīng)該是整個(gè)生命科學(xué)的核心和紐帶。在此基礎(chǔ)上，一個(gè)改造生物體的時(shí)代已經(jīng)到來。問題的焦點(diǎn)是生物體可不可以被改造?應(yīng)不應(yīng)該改造?無神論者的回答是肯定的。在此基礎(chǔ)上，也可以給生物技術(shù)下個(gè)最樸實(shí)的定義，生物技術(shù)就是對(duì)生命有機(jī)體進(jìn)行改造、加工和利用的技術(shù)。

克隆和轉(zhuǎn)基因

第一階段是美國人的研究，第二階段是英國人的研究，第三階段則是咱們中國人的研究。1981年中國科學(xué)院水生生物研究所用腎臟細(xì)胞克隆了一條魚，這在科學(xué)發(fā)展中是一件很重要的事情，很可惜，當(dāng)時(shí)沒有得到更多的認(rèn)可，直到1997年克隆羊“多利”出來的時(shí)候才掀起一場(chǎng)軒然大波。

什么叫克隆呢?盡管新聞媒體每天都這么說，但每個(gè)人對(duì)“克隆”的理解似乎不盡一致。有一個(gè)簡(jiǎn)明的定義，即克隆就是通過非有性的過程復(fù)制的個(gè)體，不通過性結(jié)合繁殖的后代。動(dòng)物克隆的基本技術(shù)是細(xì)胞核移植，即把一個(gè)個(gè)體的細(xì)胞核移植到另一個(gè)個(gè)體去掉細(xì)胞核的卵里去，這樣來發(fā)育和形成新的有機(jī)體。例如一個(gè)青蛙的卵，經(jīng)紫外線照射，把它的細(xì)胞核殺死，然后從另外一個(gè)胚胎取一個(gè)細(xì)胞核，通過顯微注射技術(shù)將其放到已經(jīng)去掉了細(xì)胞核的卵子里邊去，讓這個(gè)重組卵發(fā)育。有些重組卵的發(fā)育中途終止，沒有完成原腸化，有些發(fā)育成了蝌蚪，并最后發(fā)育成為青蛙。這里研究的問題是外來的細(xì)胞核與卵細(xì)胞質(zhì)是如何相互作用與相互配合的。在重組卵里，外來的細(xì)胞核被重新編排其發(fā)育的程序。因?yàn)樵诤艘浦睬?，它原來已?jīng)程序化了，有它的發(fā)育方向。現(xiàn)在把它放到新的卵子里面去，其發(fā)育途徑重新開始，這叫做移入細(xì)胞核的去分化和再程序化。

下面回顧一下克隆的歷史。首先是用青蛙做的實(shí)驗(yàn)。從20世紀(jì)40年代中期到50年代初期，有兩個(gè)年輕的美國人做了一個(gè)非常漂亮的實(shí)驗(yàn)，得到了細(xì)胞核移植的青蛙，現(xiàn)在叫克隆蛙。當(dāng)他們用早期發(fā)育的細(xì)胞進(jìn)行核移植時(shí)，可以得到青蛙；但是，當(dāng)用發(fā)育到原腸胚以后的細(xì)胞進(jìn)行核移植時(shí)，胚胎就發(fā)育不下去，得不到蝌蚪，更不可能得到青蛙。于是，他們認(rèn)為發(fā)育到原腸化階段以后的細(xì)胞的命運(yùn)已經(jīng)被固定下來，將來形成眼睛或耳朵等，不可能再逆轉(zhuǎn)。所以他們認(rèn)為分化了的細(xì)胞核的發(fā)育潛能是有局限性的。另外，他們用不同種的青蛙進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)，比如從一個(gè)種的青蛙取卵，而供體細(xì)胞來自另一種的青蛙，這樣的細(xì)胞核移植未得到成功。所以有兩個(gè)局限性，一個(gè)是分化細(xì)胞發(fā)育的局限性，一個(gè)是種間核移植的局限性。這是20世紀(jì)50年代的結(jié)論。十多年以后，有一位英國科學(xué)家，也是一位年輕人，他利用非洲蛤螟做了另外的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，突破了以前的實(shí)驗(yàn)禁區(qū)。他發(fā)現(xiàn)用分化了的蝌蚪腸上皮細(xì)胞進(jìn)行核移植，有可能得到蝌蚪或者得到蛤螟，說明分化了的細(xì)胞有可能去分化或再程序化。這是非常杰出的工作，非常轟動(dòng)?，F(xiàn)在我談另外一件事，關(guān)于克隆魚，就是在上述英國人研究的差不多同一時(shí)期，即20世紀(jì)60年的早期，童第周教授在我國開始了克隆魚的研究，用金魚和鳑鮍魚進(jìn)行細(xì)胞核移植，這是有我國特色的研究工作。后來在蘇聯(lián)和日本好像也有類似的研究。童教授在早期用金魚和鳑鮍魚進(jìn)行這樣的研究，后來把鯉魚的細(xì)胞核移植到鯽魚的去掉細(xì)胞核的卵子里邊去，或者反過來，均獲得了成功。證實(shí)了不同種的生物之間也可以成功地進(jìn)行細(xì)胞核的移植。后來，童教授的學(xué)生們繼續(xù)研究，在草魚和鳊魚（武昌魚）之間進(jìn)行細(xì)胞核移植，也獲得了成功。童第周教授領(lǐng)導(dǎo)的研究大大突破了西方學(xué)者用青蛙實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果，突破了物種之間的禁區(qū)。在1981年，中國科學(xué)院水生生物研究所的一個(gè)研究小組把成年三倍體鯽魚的腎臟細(xì)胞核移植到二倍體鯽魚的去核卵子里邊去，獲得了三倍體的克隆魚。證明成年魚的體細(xì)胞也可以去分化和再程序化。最近，我們進(jìn)一步完成的轉(zhuǎn)基因魚的克隆，把轉(zhuǎn)基因鯉魚的細(xì)胞核移植到金魚去核卵里邊去，在金魚卵發(fā)育出來的克隆魚有如下特點(diǎn)：在形態(tài)上它與轉(zhuǎn)基因鯉魚基本上一樣，但其側(cè)線鱗片數(shù)目和通過X光拍片得到的脊椎骨的數(shù)目介于這兩種魚之間。從線粒體的DNA成分分析表明，克隆魚又和去核卵受體金魚的完全一致。經(jīng)深入分析，結(jié)果有重要的啟示意義，即克隆個(gè)體的遺傳性狀并不是百分之百地由供體細(xì)胞核所決定的，換句話說，在目前的技術(shù)條件下，除了用可育期雌性的體細(xì)胞進(jìn)行自我克隆之外，不可能用異體細(xì)胞百分之百地克隆某一動(dòng)物(包括人)個(gè)體。

我們剛才講了，1981年中國科學(xué)院水生生物研究所用腎臟細(xì)胞克隆了一條魚，這在科學(xué)發(fā)展中是一件很重要的事情，證明了成年細(xì)胞也可以去分化和再程序化。但是很可惜，當(dāng)時(shí)沒有得到更多的認(rèn)可，直到1997年英國體細(xì)胞克隆“多利”羊出來的時(shí)候，才掀起一場(chǎng)軒然大波。

回顧一下克隆的大事記，應(yīng)該說是從1949年開始，文章發(fā)表在1952年，出現(xiàn)了同一物種胚胎細(xì)胞克隆的青蛙；到1963年，出現(xiàn)了同一物種蝌蚪幼體腸上皮細(xì)胞克隆的爪贍。前面所說的第一階段是美國人的研究，第二階段是英國人的研究，第三階段則是咱們中國人的研究：1973年以后，鯉魚和鯽魚之間、草魚和鳊魚之間成功地完成了異種克隆，直至1981—1986年成年鯽魚體細(xì)胞的克隆。我國這十多年的克隆魚研究寫下了輝煌的一頁。1997年“多利”羊的出生，克隆研究熱點(diǎn)又轉(zhuǎn)回到英國。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的克隆，不僅在我們的實(shí)驗(yàn)室，國際上也有多家實(shí)驗(yàn)室完成了轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的克隆。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多令人擔(dān)憂的問題也隨之出現(xiàn)了。

克隆究竟在哪些方面可以得到利用呢?我想將來可以在三個(gè)方面得到利用：(1)擴(kuò)增特殊的或不育的優(yōu)良動(dòng)物個(gè)體，比如克隆高產(chǎn)的奶牛等；(2)與轉(zhuǎn)基因結(jié)合起來，提供大量臨床所需的異種器官；(3)延緩某些瀕危動(dòng)物的消亡。此外，克隆技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用有著巨大的潛力。下面談轉(zhuǎn)基因的概念。什么叫做轉(zhuǎn)基因呢?可以下個(gè)定義，向生物有機(jī)體的基因組轉(zhuǎn)移(或植入)外源基因的過程叫轉(zhuǎn)基因。它是一種特殊的“雜交”，即一個(gè)基因與另一個(gè)染色體組的雜交，它是對(duì)生物的定向遺傳改造。一般都認(rèn)為，成功的轉(zhuǎn)基因工作是從1981年開始的，實(shí)際上比這個(gè)時(shí)間還早。如我們國家在20世紀(jì)70年代中后期已經(jīng)有轉(zhuǎn)移總DNA方面的研究。1981年，《自然》發(fā)表了一篇文章，兩個(gè)美國實(shí)驗(yàn)小組共同研制出轉(zhuǎn)基因超級(jí)鼠。研究者把大鼠的一個(gè)管生長的重組基因轉(zhuǎn)移到一個(gè)小鼠的受精卵里面去，結(jié)果使出生的小鼠變成了大鼠。這是因為小鼠獲得了大鼠的重組生長激素基因，它與其同胞兄妹完全不一樣，體積大了1倍。這項(xiàng)研究被譽(yù)為分子生物學(xué)發(fā)展的里程碑。轉(zhuǎn)基因可以從多個(gè)層面，比如說改良動(dòng)物的品種質(zhì)量，提高奶的產(chǎn)量和質(zhì)量，改善肉的質(zhì)量，提高瘦肉率和飼料利用率，改變羊毛的質(zhì)量和產(chǎn)量，提高生長速度和抗病性等等?，F(xiàn)在醫(yī)院里面做器官移植很困難，主要的原因是器官的來源非常短缺。因此，人們想能否用動(dòng)物的心臟器官來代替人的器官。首先選擇了豬，因?yàn)樨i的心臟大小和結(jié)構(gòu)與人的心臟非常相似。但是直接放進(jìn)去肯定不行，會(huì)產(chǎn)生免疫排斥，沒辦法配合，先不從倫理道德講難以接受，就從免疫學(xué)角度講，也沒法配合和協(xié)調(diào)。通過轉(zhuǎn)基因，改造供體和受體之間的免疫應(yīng)答，一旦建立這樣的中心，就可以源源不斷地為醫(yī)院提供所需的器官。再一個(gè)是所謂“生物反應(yīng)器”。通過轉(zhuǎn)基因，可使動(dòng)物乳腺擠出來的不是牛奶、不是羊奶，而是多種特別有用的藥物，如白蛋白、生長激素、胰島素，血細(xì)胞生成因子等等。也可用雞蛋產(chǎn)生大量的藥物，這就叫生物反應(yīng)器。另外，我要講魚是作發(fā)育、克隆和轉(zhuǎn)基因研究的很好模型材料。比如上面講的原腸化過程，除非解剖懷孕的小白鼠或檢查人工流產(chǎn)的樣品，誰也不可能從正常母體直接進(jìn)行觀察。而魚則不一樣，因?yàn)轸~的卵體外受精，在水里發(fā)育，在玻璃皿里就可以發(fā)育為小魚苗，在顯微鏡底下隨時(shí)可以看到從受精成長為小魚的過程，包括多個(gè)內(nèi)臟器官逐次出現(xiàn)的實(shí)時(shí)的變化，也可以看到發(fā)育受阻胚胎天折的過程。可以把血細(xì)胞發(fā)育的有關(guān)基因的調(diào)控元件分離出來，把一個(gè)綠色熒光酶基因與它接起來，通過轉(zhuǎn)基因可以在顯微鏡下看到帶綠色熒光的血細(xì)胞是怎樣一個(gè)一個(gè)形成的，是怎樣從靜止到開始運(yùn)動(dòng)的。隨著心臟開始跳動(dòng)，綠色斑點(diǎn)像小螞蟻一樣排著隊(duì)在胚體內(nèi)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，這是一個(gè)可視系統(tǒng)，能夠使我們看到發(fā)育過程中基因是如何工作的。

  （此文刊登于2002年2月8日《科學(xué)時(shí)報(bào)》三版。2001年5月11日至12日，由中國科學(xué)院和北京市人民政府共同主辦，由中國國際貿(mào)易促進(jìn)委北京市分會(huì)和科學(xué)時(shí)報(bào)社承辦的“科學(xué)家新世紀(jì)論壇”在北京人民大會(huì)堂開幕。中外著名科學(xué)家路甬祥、arry Kroto(英國薩塞克斯大學(xué)波諾學(xué)家、1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)、李國杰、李三立、匡廷云、朱作言、徐曉白、白春禮分別就21世紀(jì)科技發(fā)展趨勢(shì)、信息科學(xué)技術(shù)、生物科學(xué)技術(shù)、新材料和環(huán)境保護(hù)等專題作精彩演講）