「孫悟空拔一把毫毛,變出數百個猴子」,《西遊記》描述的神奇場景早已深入人心,五百多年後,神話終於變成了現實。
1月25日,生物學頂尖學術期刊《細胞》(Cell)以封面文章在線宣布世界上首個體細胞克隆猴的誕生。這也是從1996年第一隻克隆羊「多利」(Dolly)體細胞克隆成功後,與人類相近的靈長類動物(獼猴)的體細胞克隆的難題首次得到解決。
2017年11月27日,體細胞克隆猴「中中」在中國科學院神經科學研究所(上海)(下稱「中科院神經所」)、腦科學與智能技術卓越創新中心的非人靈長類平臺誕生;12月5日第二個克隆猴「華華」誕生。如果一切順利,第三個體細胞克隆猴「夢夢」將在本月底出生。
克隆猴「中中」和「華華」在中科院神經科學研究所非人靈長類平臺育嬰室的恆溫箱裡
「沒有克隆猴,就很難建立模擬人類疾病的動物模型。」中科院院長白春禮對媒體表示,「體細胞克隆猴的成功,將推動我國率先發展出基於非人靈長類疾病動物模型的全新醫藥研發產業鏈,加速針對阿爾茨海默病、自閉症等腦疾病以及免疫缺陷、腫瘤、代謝性疾病的新藥研發進程。」
從「多利羊」到「中華猴」
從第一隻克隆羊到第一隻克隆猴,歷時20餘年。許多哺乳類動物的體細胞克隆也相繼成功,各國科學家先後克隆出牛、鼠、豬、貓、狗等多種動物,但對猴子一直無能為力。甚至有人公開在權威學術期刊上發表文章,否定了克隆猴的可行性。
2003年,《科學》曾發表美國匹茲堡大學醫學院研究人員的一篇論文,論文稱,用現有技術克隆靈長類動物「是行不通的」。克隆猴的實驗最接近成功的一次發生在2010年。美國俄勒岡靈長類研究中心的著名科學家米塔利波夫率領團隊成功移植了克隆猴胚胎,但胚胎發育至81天,以流產告終。
學界質疑克隆猴的可行性,主要由於其技術上面臨的難點。克隆猴的三大技術難點分別是:細胞核不易識別,「去核」難度大;卵細胞容易提前激活,導致克隆程序無法正常啟動;體細胞克隆胚胎的發育效率低,往往胎死腹中。
所謂體細胞克隆,就是一種將體細胞培養後注入去除遺傳物質的卵子,通過人工方式激活後再送入母體發育成個體的過程。體細胞克隆猴,就是利用猴的體細胞,複製出相同個體的過程。
體細胞與胚胎細胞相比,後者雖然具有發育全能性即「一個受精卵可以變成一個個體」,但數量有限。而體細胞可以在體外培養,一旦技術成熟,可以生出無限個克隆猴。
中科院神經所研究員孫強率領以博士後劉真為主的團隊,經過5年的不懈努力,成功地突破了這個困擾生物學前沿多年的難題。劉真甚至練出了一手絕活,能夠在10秒以內從卵母細胞中取出細胞核,然後將體細胞注入去核卵母細胞。
劉真博士藉助顯微設備對卵母細胞進行「去核」操作
他們注意到,克隆胚胎發育較差,「囊胚發育率」和「囊胚優質率」均較低。這也是美國俄勒岡靈長類研究中心、新加坡國立大學、日本志賀醫科大學等科研團隊在培育體細胞克隆猴時未能翻過的「坎」。5年中,他們無數次品嘗失敗的滋味,幸運的是他們最終選定了兩個激活條件,特別是在閱讀大量文獻以後把一種酶注入克隆胚胎,2016年奇蹟般地將囊胚發育率從13%提升到45%,囊胚優質率從0躍升到29%。
孫強對第一財經記者表示:「這意味著中國將率先建立起可有效模擬人類疾病的動物模型。利用克隆技術,未來可培育大批遺傳背景相同的模型猴。這既能滿足腦疾病和腦高級認知功能研究的迫切需要,又可廣泛應用於新藥測試。」
中科院神經所發表聲明稱:「這一成功標誌著中國將率先開啟以獼猴作為實驗動物模型的時代,這一突破也實現了領跑、彎道超車、三個面向(面向世界科技前沿、面向國家重大需求、面向國民經濟主戰場)的目標,進一步鞏固了中國科學家在我國即將啟動的靈長類全腦介觀神經聯接圖譜國際大科學計劃中的主導地位。」
據第一財經記者了解,克隆猴所採用的猴子是「食蟹猴」,屬於獼猴的一種,一年發情多次。兩隻遺傳基因一模一樣的克隆猴雖然個頭差了一些,但是長得十分相似。它們和嬰兒一樣喝奶粉、墊紙尿褲、玩毛絨玩具。長到6個月之後,「中中」和「華華」將被送到猴群之中,方便研究人員觀察其在群體生活中的狀況。
護士給克隆猴餵奶
對腦疾病研究意義重大
中科院生物化學與細胞生物研究所研究員李勁松對第一財經記者表示:「這是動物克隆領域的重大突破。主要受益於克隆猴研究多年的積累,當然也借鑑了此前在小鼠克隆技術方面的大量經驗。」
傳統醫藥實驗大量採用小鼠,很大程度上是因為鼠類可通過快速近親繁殖,培育出大量非常相似的小鼠。但由於小鼠和人類相差太遠,針對小鼠研發的藥物在人體檢測時大多無效或有副作用。
由於腦疾病研究長期無法取得進展,已經有多家製藥巨頭關停了針對阿爾茨海默症候群的研究,最新宣布關停的是美國輝瑞製藥。過去15年,阿爾茨海默症候群藥物的試驗中,99%以失敗告終。
孫強稱,克隆猴技術突破之後,首要的工作是通過提升克隆猴的成功率,構建出一大批具有完全相同遺傳基因的猴群。疾病由哪個基因控制?在獼猴身上有哪些表象行為?對比這些猴群就能夠進行準確分析。
中科院神經所孫強研究員(左)和劉真博士
據介紹,製作腦科學研究和人類疾病動物模型的關鍵技術,是使用體細胞在體外有效地做基因編輯,準確地篩選基因型相同的體細胞,然後用核移植方法產生基因型完全相同的大批胚胎,用母猴載體懷孕出生一批基因編輯和遺傳背景相同的猴群。
更重要的意義是,這將直接面向國家重大需求,腦疾病模型猴的製作將為腦疾病的機理研究、幹預、診治帶來光明前景。
中科院生物物理研究所研究員、中科院腦科學與智能技術卓越中心成員王曉群對第一財經記者表示:「體細胞核移植技術20多年前就已經開始,但當時還沒有發達的表觀遺傳檢測技術,這次克隆猴的成功是基於表觀遺傳以及DNA甲基化等技術高度發展的技術背景以及紮實的核移植技術,對未來研究意義非常重大,非常值得慶賀。」
王曉群和李勁松都對第一財經稱,克隆猴之所以能在中國取得成功,與過去多年來中國以及中科院神經所在克隆猴方面的投入密不可分。此外,中國在胚胎切割技術及核移植技術等方面都處於全球領先水平。
中科院神經所所長蒲慕明去年下半年曾對第一財經記者稱,中國腦計劃項目擬於2017年年底正式啟動。在克隆猴論文發表後,蒲慕明表示:「這是『全腦介觀神經聯接圖譜』國際大科學計劃的關鍵技術。我國目前在該領域處於國際領跑地位,將進一步使我國成為世界腦科學人才的匯聚高地。」
此前,中國在靈長類動物的實驗方面就已經取得了一系列卓越的成果。2016年1月26日,一項由中科院神經所研究員仇子龍完成的「猴子研究」登上了國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)。科學家在食蟹猴中轉入了人源基因MeCP2,這種「轉基因猴」通過建立自閉症猴子的模型,來研究複雜的神經系統疾病。
仇子龍在論文發表後曾表示,儘管也可以用大鼠和小鼠模擬一部分自閉症的表型,但鼠的大腦還是和人類的大腦相差太遠,尤其是針對複雜的社交行為,用小鼠實驗模擬出的結果就不那麼令人信服。而靈長類動物模型得出的結果相比小鼠模型就往前推進了一大步。