克隆是英文"clone"或"cloning"的音譯,而英文"clone"則起源於希臘文"Klone",原意是指以幼苗或嫩枝插條,以無性繁殖或營養繁殖的方式培育植物,如扦插和嫁接。在大陸譯為「無性繁殖」,在臺灣與港澳一般意譯為複製,轉殖或群殖。 中文也有更加確切的詞表達克隆,「無性繁殖」、「無性系化」以及「純系化」。克隆是指生物體通過體細胞進行的無性繁殖,以及由無性繁殖形成的基因型完全相同的後代個體組成的種群。通常是利用生物技術由無性生殖產生與原個體有完全相同基因的個體或種群。
克隆動物
蛙:1952年,羅伯特·布裡格斯和託馬斯·J·金成功地克隆了北方豹蛙:35完整的胚胎和27蝌蚪104個核克隆成功。
鯉魚:1963年,中國科學家童第周在1963年通過將一隻雄性鯉魚的遺傳物質注入雌性鯉魚的卵中從而成功克隆了一隻雌性鯉魚。但由於相關論文是發表在一本中文科學期刊,並沒有翻譯成英文,所以並不為國際上所知曉。
綿羊:1996年,多莉(Dolly)
鼠:1998年,Cumulina,夏威夷大學。
日本茨城縣茨城市的理化學研究所理研研究小組,團隊召集人是小倉淳郎,從老鼠的尾巴採1滴血液,利用白細胞的核來複製動物,將來或許可運用於複製其他動物。
獼猴:2000年1月,Tetra,雌性
豬:2000年3月,2000年3月,5隻蘇格蘭PPL小豬;8月,Xena,雌性。2013年1月30日,臺灣成功複製迷你豬。臺灣地區科學委員會今30日公布,由臺灣3所學術機構共同花了3年時間,成功改良新式的胚複製技術「手工卵子分切複製技術」,已複製出兩胎花斑迷你豬,其中1隻已成功繁衍後代,顯示技術已達成熟階段,豬只現由竹南動科所飼養。
牛:2001年,Alpha和Beta,雄性
貓:2001年底,CopyCat(CC),雌性
兔:2003年3-4月分別在法國和朝鮮獨立地實現;
騾:2003年5月,愛達荷Gem,雄性;6月,猶他先鋒,雄性
鹿:2003年,Dewey
馬:2003年,Prometea,普羅米特亞(普羅米修斯的陰性變格)雌性
狗:2005年,韓國首爾大學實驗隊,史納比
灰狼:2007年,韓國首爾大學動物克隆研究組,Snuwolf和Snuwolffy,雄性
駱駝:2015年
克隆的定義
克隆的定義(一)
1963 年J.B.S.Haldane在題為「人類種族在未來二萬年的生物可能性」的演講上採用「克隆 (Clone)」的術語。科學家把人工遺傳操作動物繁殖的過程叫「克隆」,這門生物技術叫「克隆技術」,其本身的含義是無性繁殖(中國大陸的翻譯),即由同一個祖先細胞分裂繁殖而形成的純細胞系,該細胞系中每個細胞的基因彼此相同。
克隆也可以理解為複製、拷貝和翻倍(港澳臺的意譯),就是從原型中產生出同樣的複製品,它的外表及遺傳基因與原型完全相同,但大多行為 思想不同。時至今日,「克隆」的含義已不僅僅是「無性繁殖」,凡是來自同一個祖先,無性繁殖出的一群個體,也叫「克隆」。這種來自同一個祖先的無性繁殖的後代群體也叫「無性繁殖系」,簡稱無性系。簡單講就是一種人工誘導的無性繁殖方式。但克隆與無性繁殖是不同的。克隆是指人工操作動物繁殖的過程,無性繁殖是指:不經過兩性生殖細胞的結合由母體直接產生新個體的生殖方式,常見的有孢子生殖、被子生殖出芽生殖和分裂生殖。由植物的根、莖、葉等經過壓條、扦插或嫁接等方式產生新個體也叫無性繁殖。綿羊、猴子和牛等動物沒有人工操作是不能進行無性繁殖的。——因此,高中一些練習題裡將扦插排除在「克隆」之外。另外,花葯離體培養成單倍體,不受精的卵細胞孤雌發育成個體如雄蜂雄蟻,叫做單性繁殖,嚴格來說也不算克隆。而試管嬰兒由於有受精過程所以也不屬於克隆。科學要求嚴謹,定義非常關鍵,有時候概念的內涵和外延變化了,我們大部分人還使用舊有的內容,這樣就造成了混淆和混亂。
克隆羊多利是克隆的產物。關於克隆的設想,中國明代的大作家吳承恩在《西遊記》中已有精彩的描述——孫悟空經常在緊要關頭拔一把猴毛變出一大群猴子,這當然是神話,但用今天的科學名詞來講就是孫悟空能迅速將自己身體的一部分克隆成自己。從理論上講,猴子毛含有的蛋白質是指導該部分毛髮合成的DNA的部分表達(與其內含子和外顯子有關),可以進行逆轉錄,也就是可以克隆,但是事實上,我們的技術沒有先進到這樣的地步。
另外一種克隆方法是提取兩個或多個人的基因細胞進行組合形成胚胎,出生後的複製人將有提供基因的幾個人的特徵。
由於克隆技術是無性生殖所以它並不是根據基因重組、基因突變、染色體變異等原理而發明的技術。
雖然克隆很神奇,但是它誘人的地方也就是它最危險的地方。
簡單地說,克隆的定義就是:不經過兩性細胞結合而直接繁衍後代,就叫無性繁殖,也稱克隆。
克隆的定義(二)
克隆,是指通過無性生殖而產生的遺傳上均一的生物群,即具有完全相同的遺傳組成的一群細胞或者生物的個體。克隆在希臘語中是「小樹枝葉」的意思,用以指無性增殖物。現在則指個體、細胞、基因等不同水平上的無性增殖物。(1)個體水平:在植物的無性增殖中,植物的發芽、插條等由同一個體通過無性生殖而增長的個體群均被視為克隆。採用組織培養方法可使植物細胞培養發育成完全的個體(愈傷組織),採用這種方法得到的具有相同基因型的個體群,也被稱為克隆;在動物的無性增殖中,典型的例子是採用核移植實驗方法,把分化細胞的核移植到一個事先去核的蛙卵中,讓其發育並得到克隆蛙。克隆動物具有均一遺傳性質,在研究環境條件對發育、分化的影響以及藥物的檢測方面都是重要的實驗材料。在哺乳動物中,由於細胞分化,核異質化的程度加劇,因此核移植尚無成功的例子。(2)細胞水平:由一個細胞經過有絲分裂生成的細胞群叫克隆。但如果培養細胞發生轉化,則很容易引起染色體變異。(3)基因水平:利用基因重組操作技術,使特定的基因與載體結合,在細菌等宿主中進行增殖,有可能得到均勻的基因群。克隆基因在基因功能與精細結構的關係等基礎研究及在有用物質的生產方面,均已得到應用。
在上述3種水平上,增殖並分離獲得單一的克隆群稱為克隆化。此時,克隆一詞也可作為動詞理解。克隆是重組DNA技術的核心部分。事實上,克隆技術現已被人們用來通過營養方式繁殖病毒等微生物和植物的純種,從而保證了這些生物基因組的準確連續性。現在,克隆這個詞還包括單個自主遺傳因子的分離與保存。細胞生物的克隆只需要營養培養基,而基因的克隆則需要某種載體複製子、特定的寄主細胞和營養培養基。各種類型生物的克隆技術在生物工程中均有其重要作用。
克隆種類
1.由同一個祖先細胞分裂繁殖而形成的純細胞系(每個基因彼此相同)。
2.先將含有遺傳物質的供體細胞的核移植到去除了細胞核的受體卵細胞中,利用微電流刺激等使兩者融合為一體。(與提供細胞者基因相同)
基本過程
先將含有遺傳物質的供體細胞的核移植到去除了細胞核的卵細胞中,利用微電流刺激等使兩者融合為一體,然後促使這一新細胞分裂繁殖發育成胚胎,當胚胎發育到一定程度後,再被植入動物子宮中使動物懷孕,便可產下與提供細胞核者基因相同的動物。這一過程中如果對供體細胞進行基因改造,那麼無性繁殖的動物後代基因就會發生相同的變化。
克隆技術不需要雌雄交配,不需要精子和卵子的結合,只需從動物身上提取一個單細胞,用人工的方法將其培養成胚胎,再將胚胎植入雌性動物體內,就可孕育出新的個體。這種以單細胞培養出來的克隆動物,具有與單細胞供體完全相同的特徵,是單細胞供體的「複製品」。英國英格蘭科學家和美國俄勒岡科學家先後培養出了「克隆羊」多利和「克隆猴」。克隆技術的成功,被人們稱為「歷史性的事件,科學的創舉」。有人甚至認為,克隆技術可以同當年原子彈的問世相提並論。
克隆技術可以用來生產「複製人」,可以用來「複製」人,因而引起了全世界的廣泛關注。對人類來說,克隆技術是悲是喜,是禍是福?唯物辯證法認為,世界上的任何事物都是矛盾的統一體,都是一分為二的。克隆技術也是這樣。如果克隆技術被用於「複製」像希特勒之類的戰爭狂人,那會給人類社會帶來什麼呢?即使是用於「複製」普通的人,也會帶來一系列的倫理道德問題。如果把克隆技術應用於畜牧業生產,將會使優良牲畜品種的培育與繁殖發生根本性的變革。若將克隆技術用於基因治療的研究,就極有可能攻克那些危及人類生命健康的癌症、愛滋病等頑疾。克隆技術猶如原子能技術,是一把雙刃劍,劍柄掌握在人類手中。人類應該採取聯合行動,避免「複製人」的出現,使克隆技術造福於人類社會。
兩次的飛躍 非哺乳類到哺乳類
胚胎細胞克隆到體細胞克隆
克隆技術又稱為「生物放大技術」,它經歷了三個發展時期:第一個時期是微生物克隆時期,即用一個細菌可以很快複製出成千上萬個和它一模一樣的細菌,從而變成一個細菌群;第二個時期是生物技術克隆時期,比如用遺傳基因一DNA進行克隆;第三個時期是動物克隆時期,即由一個細胞克隆成一個動物。克隆綿羊「多利」就是由一頭母羊的體細胞克隆而來,使用的便是動物克隆技術。
在自然界,有不少植物生來就具有克隆本能,如番薯、馬鈴薯、玫瑰等能夠進行插枝繁殖的植物。而動物的克隆技術,則經歷了由胚胎細胞到體細胞的發展過程。
一些無脊椎動物(蟲類、某些魚類、蜥蜴和青蛙)未受精的卵也可以在某些特定環境下,比如受到化學刺激的條件下,成
長並發育成完整個體。這一過程也被稱為是產卵雌性的克隆。
早在20世紀50年代,美國的科學家以兩棲動物和魚類作為研究對象,首創了細胞核移植技術,這可以比做「狸貓換太子」。其基本過程是先將含有遺傳物質的供體細胞的核移植到去除了細胞核的卵細胞中,利用微電流刺激等手段使兩者融合為一體,然後促使這一新細胞分裂繁殖發育成胚胎,當胚胎發育到一定程度後(羅斯林研究所克隆羊用了約為6天的時間),再被植入動物子宮中使動物懷孕便可產下與提供細胞者基因相同的動物。在這一過程中如果對供體細胞進行基因改造,那麼無性繁殖的動物後代基因就會發生相同的變化。培育成功三代克隆鼠的「火奴魯魯技術」與克隆多利羊技術的主要區別在於,克隆過程中的遺傳物質不經過培養液的培養,而是直接用物理方法注入卵細胞裡面。這一過程中採用化學刺激法代替電刺激法來促使卵細胞的融合。1986年,英國科學家魏拉德森用胚胎細胞克隆出一隻羊,以後又有人相繼克隆出牛、鼠、兔、猴等動物。這些克隆動物的誕生,均是利用胚胎細胞作為供體細胞進行細胞核移植從而獲得成功的。這種克隆技術的難度要小一些,比較適合研究。
而克隆綿羊「多利」是用乳腺上皮細胞(體細胞)作為供體細胞進行細胞核移植的,它翻開了生物克隆史上嶄新的一頁,突破了利用胚胎細胞進行核移植的傳統方式,使克隆技術有了長足的進展。多利完全繼承了其親生母親一體細胞提供者一多塞特母綿羊的核DNA(仍有細胞質遺傳),是多塞特母綿羊的「複製品」。
早期研究
同一克隆的所有成員的遺傳構成是完全相同的,例外僅見於有突變發生時。自然界早已存在天然植物、動物和微生物的克隆,例如:同卵雙胞胎實際上就是一種克隆。然而,天然的哺乳動物克隆的發生率極低,成員數目太少(一般為兩個),且缺乏目的性,所以很少能夠被用來為人類
造福,因此,人們開始探索用人工的方法來生產高等動物克隆。這樣,克隆一詞就開始被用作動詞,指人工培育克隆動物這一動作。
目前,生產哺乳動物克隆的方法主要有胚胎分割和細胞核移植兩種。克隆羊「多利」,以及其後各國科學家培育的各種克隆動物,採用的都是細胞核移植技術。所謂細胞核移植,是指將不同發育時期的胚胎或成體動物的細胞核,經顯微手術和細胞融合方法移植到去核卵母細胞中,重新組成胚胎並使之發育成熟的過程。與胚胎分割技術不同,細胞核移植技術,特別是細胞核連續移植技術可以產生無限個遺傳相同的個體。由於細胞核移植是產生克隆動物的有效方法,故人們往往把它稱為動物克隆技術。
採用細胞核移植技術克隆動物的設想,最初由漢斯·施佩曼在1938年提出,他稱之為「奇異的實驗」,即從發育到後期的胚胎(成熟或未成的胚胎均可)中取出細胞核,將其移植到一個卵子中。這一設想是現在克隆動物的基本途徑。
從1952年起,科學家們首先採用青蛙開展細胞核移植克隆實驗,先後獲得了蝌蚪和成體蛙。1963年,中國童第周教授領導的科研組,首先以金魚等為材料,研究了魚類胚胎細胞核移植技術,獲得成功。1964年,英國科學家格登(J.Gurdon)將非洲爪蟾未受精的卵用紫外線照射,破壞其細胞核,然後從蝌蚪的體細胞——個上皮細胞中吸取細胞核,並將該核注入核被破壞的卵中,結果發現有1.5%這種移核卵分化發育成為正常的成蛙。格登的試驗第一次證明了動物的體細胞核具有全面性。哺乳動物胚胎細胞核移植研究的最初成果在1981年取得——卡爾·伊爾門澤和彼得·霍佩用鼠胚胎細胞培育出發育正常的小鼠。1984年,施特恩·維拉德森用取自羊的未成熟胚胎細胞克隆出一隻活產羊,其他人後來利用牛、豬、山羊、兔和獼猴等各種動物對他採用的實驗方法進行了重複實驗。1989年,維拉德森獲得連續移核二代的克隆牛。1994年,尼爾·菲爾斯特用發育到至少有120個細胞的晚期胚胎克隆牛。到1995年,在主要的哺乳動物中,胚胎細胞核移植都獲得成功,包括冷凍和體外生產的胚胎;對胚胎幹細胞或成體幹細胞的核移植實驗,也都做了嘗試。但到1995年為止,成體動物已分化細胞核移植一直未能取得成功。
克隆羊「多利」的意義和引起的反響
以上事實說明,在1997年2月英國羅斯林研究所維爾穆特博士科研組公布體細胞克隆羊「多利」培育成功之前,胚胎細胞核移植技術已經有了很大的發展。實際上,「多利」的克隆在核移植技術上沿襲了胚胎細胞核移植的全部過程,但這並不能減低「多利」的重大意義,因為它是世界上第一例經體細胞核移植出生的動物,是克隆技術領域研究的巨大突破。這一巨大進展意味著:在理論上證明了,同植物細胞一樣,分化了的動物細胞核也具有全能性,在分化過程中細胞核中的遺傳物質沒有不可逆變化;在實踐上證明了,利用體細胞進行動物克隆的技術是可行的,將有無數相同的細胞可用來作為供體進行核移植,並且在與卵細胞相融合前可對這些供體細胞進行一系列複雜的遺傳操作,從而為大規模複製動物優良品種和生產轉基因動物提供了有效方法。
在理論上,利用同樣方法,人可以複製「複製人」,這意味著以往科幻小說中的獨裁狂人克隆自己的想法是完全可以實現的。因此,「多莉」的誕生在世界各國科學界、政界乃至宗教界都引起了強烈反響,並引發了一場由複製人所衍生的道德問題的討論。各國政府有關人士、民間紛紛作出反應:複製人類有悖於倫理道德。儘管如此,克隆技術的巨大理論意義和實用價值促使科學家們加快了研究的步伐,從而使動物克隆技術的研究與開發進入一個高潮。
重要成果
克隆羊「多莉」的誕生在全世界掀起了克隆研究熱潮,隨後,有關克隆動物的報導接連不斷。1997年3月,即公布「多莉」培育成功後近1個月的時間裡,美國、中國臺灣和澳大利亞科學家分別發表了他們成功克隆猴子、豬和牛的消息。不過,他們都是採用胚胎細胞進行克隆,其意義不能與「多莉」相比。同年7月,羅斯林研究所和PPL公司宣布用基因改造過的胎兒成纖維細胞克隆出世界上第一頭帶有人類基因的轉基因綿羊「波莉」(Polly)。這一成果顯示了克隆技術在培育轉基因動物方面的巨大應用價值。
1998年7月,美國夏威夷大學Wakayama等報導,由小鼠卵丘細胞克隆了27隻成活小鼠,其中7隻是由克隆小鼠再次克隆的後代,這是繼「多利」以後的第二批哺乳動物體細胞核移植後代。此外,Wakayama等人採用了與「多利」不同的、新的、相 對簡單的且成功率較高的克隆技術,這一技術以該大學所在地而命名為「檀香山技術」。
此後,美國、法國、荷蘭和韓國等國科學家也相繼報導了體細胞克隆牛成功的消息;日本科學家的研究熱情尤為驚人,1998年7月至1999年4月,東京農業大學、近畿大學、家畜改良事業團、地方(石川縣、大分縣和鹿兒島縣等)家畜試驗場以及民間企業(如日本最大的奶商品公司雪印乳業等)紛紛報導了,他們採用牛耳部、臀部肌肉、卵丘細胞以及初乳中提取的乳腺細胞克隆牛的成果。至1999年底,全世界已有6種類型細胞——胎兒成纖維細胞、乳腺細胞、卵丘細胞、輸卵管/子宮上皮細胞、肌肉細胞和耳部皮膚細胞的體細胞克隆後代成功誕生。
2000年6月,中國西北農林科技大學利用成年山羊體細胞克隆出兩隻「克隆羊」,但其中一隻因呼吸系統發育不良而早夭。據介紹,所採用的克隆技術為該研究組自己研究所得,與克隆「多利」的技術完全不同,這表明中國科學家也掌握了體細胞克隆的尖端技術。
2012年3月18日凌晨,中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所胚胎工程與繁殖技術室在昌平試驗牛場通過剖腹產,獲得體細胞克隆公牛1頭,母牛妊娠期279天,牛犢出生重58.2千克,目前生理指標一切正常。經北京華大方瑞鑑定中心鑑定,該克隆後代與細胞來源的供體公牛DNA一致。這是我國首次採用無透明帶克隆方法獲得的荷斯坦種公牛體細胞克隆後代,也是第三例荷斯坦種公牛體細胞克隆公牛。
在不同種間進行細胞核移植實驗也取得了一些可喜成果,1998年1月,美國威斯康星一麥迪遜大學的科學家們以牛的卵子為受體,成功克隆出豬、牛、羊、鼠和獼猴五種哺乳動物的胚胎,這一研究結果表明,某個物種的未受精卵可以同取自多種動物的成熟細胞核相結合。雖然這些胚胎都流產了,但它對異種克隆的可能性作了有益的嘗試。1999年,美國科學家用牛卵子克隆出珍稀動物盤羊的胚胎;中國科學家也用兔卵子克隆了大熊貓的早期胚胎,這些成果說明克隆技術有可能成為保護和拯救瀕危動物的一條新途徑。