要了解动物的克隆技术,首先让我们来了解一下动物的繁殖。高等动物的卵细胞,特别是哺乳类动物以及人类的卵细胞,最先是由卵巢中的卵原细胞发生而来的。卵原细胞与我们身体的体细胞一样具有双份染色体,即为二倍体细胞。它经过数次分裂,最终成为只含数目为体细胞一半的染色体(故称单倍体)的成熟卵细胞。当然,这种卵细胞是不可能发育成为一个新个体的,它必须与含有同样只有单倍染色体的精子结合,重新成为双倍体的受精卵才能继续发育下去,形成一个新生命。这个新生命已分别接受母方卵细胞与父方精子各一半的遗传特性了。这种繁殖方式我们称之为有性繁殖。自然界的动物一般都要进行有性繁殖。
对于动物克隆来说,不需要精子的参与,细胞或动物个体数量就可不断地繁殖增多,好像是一种工业产品按一定模型不断复制一样,以这种方式复制出来的动物,其外形、性能和基因类型等完全一样,这就是动物的无性繁殖。
目前,克隆哺乳动物的方法由简单到复杂有以下几种:胚胎分割、胚胎细胞核移植、胚胎干细胞核移植、胚胎嵌合、体细胞核移植。
1.胚胎分割
拥有一对双胞胎可以说是苍天对父母的恩赐,双胞胎的出生率仅有1%。然而,通过克隆技术就可以人工制造双胞胎。胚胎分割是借助显微操作技术或徒手操作方法切割早期胚胎,使之成为二、四等多等份再移植给受体母畜,从而获得同卵双胎或多胎的生物学高新技术。来自同一胚胎的后代有相同的遗传物质,因此胚胎分割可看成动物无性繁殖或克隆的方法之一。
进行胚胎分割时应选择发育良好、形态正常的桑椹胚或囊胚,将其移入盛有操作液的培养皿中,然后,用分割针或分割刀进行分割。对于不同发育阶段的胚胎,分割的具体操作不完全相同。
具体操作时,用分割针或分割刀将胚胎切开,吸出其中的半个胚胎,注入预先准备好的空透明袋中,或直接将裸半胚胎移植给受体。在对囊胚阶段的胚胎进行分割时,要注意将内细胞团均等分割,否则会影响分割后胚胎的恢复和进一步的发育。
英国剑桥大学生物学家威拉德森在1979年首先想到将受精卵在发育为胚胎的过程中分裂出的细胞加以分割,再将分割的胚胎细胞分别加以培养,从而发育出完整的新一代的方法,他用绵羊的幼胚进行了实验。当绵羊的受精卵细胞从一变二、二变四、到四变八时,他将这八个卵裂期的细胞分割成四份,每份包括两个细胞,然后将分割的细胞重新送到母羊的子宫里面发育,结果,母羊产下了4只活泼的小羊羔。在这个实验中,被分割的受精卵细胞发挥了它们的全能性,各自独立地发育成健康的小羊羔。这个实验充分证明了威拉德森的设想是可行的。胚胎分割大大提高了动物的繁殖率。正常情况下,1头良种奶牛,一生约产犊10头,如用胚胎分割并找别的奶牛“寄母”怀孕,那么从1头良种母奶牛就能得到几百头良种奶牛。
2胚胎细胞核移植
动物胚胎分割并没有改变动物的遗传性状,但是胚胎细胞核移植则更换了保存遗传信息的细胞核,也就是改变了动物的遗传性征。因此,胚胎细胞核移植又称胚胎克隆,它是通过显微操作将早期胚胎细胞核移植到去核卵母细胞中,构建新合子的生物技术。通常把提供细胞核的胚胎称核供体,接受细胞核的称受体。由于哺乳动物的遗传性状主要由细胞核的遗传物质决定,因此,由同一枚胚胎作核供体、通过核移植获得的后代,基因型几乎完全一样,即我们所说的克隆动物。通过细胞核移植得到的胚胎可作供体,再进行细胞核移植,称再克隆。理论上,一枚胚胎通过克隆和再克隆的过程,可获得无限多的克隆动物。
胚胎细胞核移植技术要比胚胎分割技术更进一步。它是用显微手术的方法分离开着床的早期胚胎细胞,将其单个细胞导入去除染色体的未受精的成熟的卵母细胞中,经过电融合,让该卵母细胞质和导入的胚胎细胞核融合,分裂,发育为胚胎。把该胚胎移植给受体,让其妊娠产仔。目前知道的胚胎细胞核移植克隆的动物有小白鼠、兔、山羊、绵羊、猪、牛和猴子等。
3.胚胎干细胞核移植
将胚胎或胎儿原始生殖细胞经过抑制分化培养,让其细胞数成倍增多,但细胞不分化,每个细胞仍具有发育成一个个体的能力。把该单个细胞利用核移植技术,将其导入除去染色体的成熟的卵母细胞内克隆胚胎,经移植至受体,妊娠、产仔、产生克隆动物。
4.胚胎嵌合
克隆技术不仅能分割胚胎细胞,也能组合细胞,用一个成语“牛头马面”来形容非常贴切。把两枚胚胎细胞(同种或异种动物胚胎)嵌合,共同发育成为一个胚胎,称为嵌合胚胎。再将该胚胎移植给受体,妊娠产仔。如该仔畜具有以上两种动物胚胎的细胞则称之为嵌合体动物。如同类黑鼠和白鼠胚胎细胞嵌合,生下黑白相间的花小鼠。不同种的绵羊和山羊胚胎细胞嵌合,可生下绵山羊,既有绵羊的特征,又有山羊的特征。目前嵌合体动物有小鼠、大鼠、绵羊、山羊、猪和牛等;种间嵌合体动物有大鼠——小鼠嵌合体,绵羊——山羊嵌合体、马——斑马嵌合体,牛——水牛嵌合体。
5.体细胞核移植
相对于只能用胚胎做实验的技术,体细胞移植的出现大大促进了克隆技术的发展。把动物体细胞经过抑制培养,使细胞处于休眠状态,采用以上核移植的方法,将其导入去除染色体的成熟的卵细胞克隆胚胎,经移植受体,妊娠产仔,克隆出动物。
比如克隆绵羊“多莉”。它是从一只成年母绵羊的乳腺中取出一个并没有繁殖功能的普通细胞,将这个细胞的基因分离出来备用;然后,再取出另一只母绵羊的未受精的卵细胞,将这个卵细胞的基因取出,换上第一只母绵羊乳腺细胞的基因,再将这个基因已被“调包”的卵细胞用电激活,使其开始像正常的受精卵那样进行细胞分裂;当细胞分裂进行到一定阶段、胚胎已经形成后,再将这个胚胎移植到第三只母绵羊,经过正常的妊娠后产下“多莉”。
克隆绵羊的诞生是生物工程技术发展史上的一个里程碑。它标志着生物学时代提前到来。克隆绵羊“多莉”的问世突破了利用胚胎细胞进行细胞核移植的传统方式,可以使科学家们拥有一项新的非常有效的技术,来深入研究一系列重要的生物学问题,不管是在理论上还是在应用上都具有重大意义。