克隆簡介 獲獎教學(xué)設(shè)計

克隆簡介自從1997年2月23日國外新聞媒介報導(dǎo)(正式科學(xué)論文發(fā)表在1997年2月27日出版的《自然》雜志上)蘇格蘭科學(xué)家利用體細(xì)胞培養(yǎng)克隆羊成功的消息后，在全世界引起了一陣沖擊波，我國著名遺傳學(xué)家吳昊教授稱之為“克隆風(fēng)暴”。對于一項科學(xué)成果，反響如此之廣泛和強烈，從新聞界、科學(xué)界，到哲學(xué)、倫理界，再到政府部門和立法機構(gòu)，一直到廣大公眾，無不對克隆技術(shù)表示關(guān)注。究竟何謂克隆，該項技術(shù)有何價值和意義，以及如何面對“克隆時代”，都成為人們討論的焦點。

一、克隆的概念

眾所周知，生物的繁衍是通過生殖完成的。生物的繁殖有兩種方式：一種叫有性生殖，一種叫無性生殖。

有性生殖是通過兩性生殖細(xì)胞(精子和卵子)的融合，并發(fā)育形成后代的生殖方式。無性生殖則不經(jīng)過兩性生殖細(xì)胞的結(jié)合，而是由生物體自身的分裂生殖或其體細(xì)胞生長發(fā)育形成個體。無性生殖多見于植物與某些動物(如單細(xì)胞動物與低等動物)。

克隆是英文“clone”的音譯，來自希臘文klon，原意為苗或嫩枝，指以無性生殖或營養(yǎng)生殖的一些植物。隨著時間的推移和科學(xué)的發(fā)展，它的含義增加了許多內(nèi)容，如一個細(xì)胞在體外培養(yǎng)下產(chǎn)生的一群細(xì)胞；由“親本”序列產(chǎn)生的DNA序列等等。概言之，克隆是指由一個細(xì)胞或個體，通過無性繁殖手段，獲得遺傳上相同的細(xì)胞群或個體群。

我國古典名著《西游記》里的孫悟空，只要拔撮毫毛吹口仙氣，就能“變”出許多孫悟空。因為拔一撮毫毛必須帶下一群細(xì)胞，這一群細(xì)胞就能培養(yǎng)出一群相同的孫大圣。這也歸屬于無性生殖。只不過孫大圣本領(lǐng)高強，能在瞬間“克隆”出千百個自己而已。簡而言之，克隆就是無性生殖，就是“復(fù)制”、“翻版”。

二、植物的克隆

無性生殖(克隆)本來是一種低級的生殖方式。生物進(jìn)化的層次越低，越有可能采取這種生殖方式，進(jìn)化層次越高，則越不可能采取這種生殖方式。由于低級生物，如微生物，采取自行分裂的方法繁殖，分裂后子代與親代的遺傳物質(zhì)完全一樣，因此在這個意義上微生物沒有“個體”，它們也沒有死亡。雖然在嚴(yán)格的意義上，微生物的親代與子代仍然會有若干差異，因為它們的外界營養(yǎng)環(huán)境仍然會有差異，但從高等動物的角度看，這種差異似乎太微不足道了。在這種差異可以不計的條件下，人們可以說，對微生物來說，它們是不死的。死亡是生物進(jìn)化到較高階段的產(chǎn)物?，F(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)研究中用克隆技術(shù)在體外培養(yǎng)的正常細(xì)胞或癌細(xì)胞，也稱為“永生細(xì)胞株”，意思也是說這些細(xì)胞是“不死的”。

生物醫(yī)學(xué)研究進(jìn)入微觀層次，運用克隆技術(shù)來培養(yǎng)正?；虍惓＜?xì)胞的永生細(xì)胞株，雖然是一件難度很大的工作，但已經(jīng)在各國的科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界越來越得到重視。在農(nóng)業(yè)上，人們早已用插枝、壓條等方法，來繁殖適合于人類需要的植物。在畜牧業(yè)上，各國都在進(jìn)行用克隆技術(shù)產(chǎn)生更多良種動物的研究。但從高等生物成體的體細(xì)胞中發(fā)育出一個成體，這是克隆技術(shù)的一個重大發(fā)展。

早在許多年前，美國康奈爾大學(xué)研究人員將成熟的胡蘿卜高速攪拌，獲得單個胡蘿卜細(xì)胞，然后將這些單個細(xì)胞置于生長培養(yǎng)基中，培養(yǎng)出遺傳上完全一樣的胡蘿卜。這個試驗證實了植物細(xì)胞全能性學(xué)說。所謂植物細(xì)胞全能性學(xué)說是指植物體的每一個細(xì)胞，包括體細(xì)胞，都具有發(fā)育成完整個體的潛能。

植物細(xì)胞全能性學(xué)說在植物界已經(jīng)得到廣泛的證明?，F(xiàn)在我們可以植物體的任何一種活的細(xì)胞、組織、器官，經(jīng)過體外人工培養(yǎng)獲得它的完整植株，并產(chǎn)生許多植物。這種技術(shù)被稱為組織培養(yǎng)。它已用于工廠化生產(chǎn)花卉、作物(如甘蔗)的試管苗。

三、動物克隆的歷程

關(guān)于動物的無性生殖研究，一直是科學(xué)家探索的課題。因為人類通過有性生殖的方法，選育家畜品種已有上千年的歷史，結(jié)果是產(chǎn)生了一些優(yōu)良的個體或群體。它們比一般的個體更能滿足人們的需要和愿望。譬如，一頭產(chǎn)奶量特別高的奶牛，一群毛產(chǎn)量多的綿羊，一匹得獎的賽馬或一只優(yōu)秀的警犬?？墒?，有性生殖的后代，其性能不一定都同親代一樣，有的甚至不如親代。究其原因，因為卵子或精子只攜帶構(gòu)成親代的、任意一半的等位基因，而等位基因幾乎可以有無限的組合，因而會產(chǎn)生不同的后代。兄弟、姊妹、兄妹、姊弟之間都有很大的差異，便是因為極難有完全相同的基因型。

所以通過有性生殖保持一種表現(xiàn)型是非常困難的。如果獲得一種理想的表現(xiàn)型如產(chǎn)奶量高的奶牛，再通過無性生殖保持、擴大和繁殖這種表現(xiàn)型，即生產(chǎn)許多遺傳上相同的個體，從經(jīng)濟角度講顯然是很有價值的。

⒈卵細(xì)胞培養(yǎng)成成體

1951～1959年，我國著名細(xì)胞生物學(xué)家朱冼等，用直徑10～13um的玻璃針刺激去卵膜的蟾蜍卵細(xì)胞，在世界上首次培養(yǎng)出25只蟾蜍成體，即沒有父親的癩蛤蟆。它們最長的可活8個月。

在上述試驗中用的是生殖細(xì)胞。體細(xì)胞能否通過培養(yǎng)獲得動物體呢？即植物細(xì)胞具有的全能性，動物細(xì)胞是否也具有？每個動物細(xì)胞，包括體細(xì)胞都具有該物種的全套基因是不容懷疑的，但從體細(xì)胞直接培養(yǎng)成動物成體至今尚未成功。為了證明動物細(xì)胞也具有全能性，生物學(xué)家進(jìn)行了大量的細(xì)胞核移植試驗。

⒉細(xì)胞核移植試驗

1939年，科學(xué)家首次在變形蟲中進(jìn)行核移植試驗。他們將核移到同種去核變形蟲中，結(jié)果重組的變形蟲可生長，并繁殖后代。

1963年起，我國著名生物學(xué)家童第周等進(jìn)行了大量的魚類核移植試驗。其中1980年，他們將鯉魚囊胚期細(xì)胞核作供體核，鯽魚的未受精去核成熟卵細(xì)胞作受體質(zhì)，%的移核卵發(fā)育到成魚。鯉鯽移核魚的主要性狀與鯉魚相同，但脊椎骨的數(shù)目與鯽魚相同，而側(cè)鱗的數(shù)目介于這兩種魚之間。這種細(xì)胞工程魚生長速度比鯉魚快22%，現(xiàn)已在生產(chǎn)上大面積推廣。

1966年，科學(xué)家用兩棲類非洲爪蟾進(jìn)行核移植試驗。他們將蝌蚪的腸細(xì)胞的細(xì)胞核移入去核的卵細(xì)胞中，結(jié)果有%的重組細(xì)胞發(fā)育成體。他們的試驗第一次證明了動物的體細(xì)胞也具有全能性，但在哺乳動物體細(xì)胞中尚未證明。

⒊用胚胎細(xì)胞克隆哺乳動物

1986年，英國科學(xué)家用綿羊的8細(xì)胞胚胎細(xì)胞(在8細(xì)胞胚胎之前的細(xì)胞才能表現(xiàn)全能性)做供核細(xì)胞，羊的卵細(xì)胞做供質(zhì)細(xì)胞，結(jié)果重組細(xì)胞能發(fā)育成羊成體，此后又相繼用胚胎細(xì)胞克隆出牛、鼠、兔、猴等動物。應(yīng)該指出的是，該試驗并非復(fù)制雄性或雌性綿羊，而是復(fù)制它們的后代，因此試驗還存在一定的不足或缺陷。

在我國，用胚胎細(xì)胞克隆哺乳動物，80年代末已克隆出免；1991年西北農(nóng)業(yè)大學(xué)和江蘇農(nóng)學(xué)院克隆出羊；1993年中國科學(xué)院發(fā)育研究所與揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院克隆出山羊；1995年華南師大和廣西農(nóng)業(yè)大學(xué)克隆出牛。此外，湖南醫(yī)學(xué)院還克隆出鼠。但是，用胚胎細(xì)胞以外的體細(xì)胞克隆出哺乳動物，則是由英國科學(xué)家維爾穆特開創(chuàng)的。

四、“多莉”的誕生

“多莉”是世界上第一例用體細(xì)胞──乳腺上皮細(xì)胞，通過細(xì)胞核移植技術(shù)，在復(fù)雜的人工操作下，得到的一只小綿羊。其操作過程是這樣的：

⒈從蘇格蘭黑臉母羊(甲羊)取出卵子，并把卵子的遺傳物質(zhì)吸去，成為只有細(xì)胞質(zhì)的卵子。

⒉從妊娠后期3個月的母羊(乙羊)取出乳腺上皮細(xì)胞，在體外傳代培養(yǎng)3─6代，并用藥物處理控制細(xì)胞發(fā)育使之處于休止期。這是非常關(guān)鍵的一步。然后取休止期的細(xì)胞作為供體細(xì)胞。

⒊將一個供體細(xì)胞導(dǎo)入上述卵子的透明帶內(nèi)腔。然后用電脈沖刺激，使供體細(xì)胞和卵子融合，形成重構(gòu)卵。

⒋把重構(gòu)卵移植到黑臉母羊(羊丙)的輸卵管里，此前將丙羊的輸卵管結(jié)扎，使胚胎不能進(jìn)入子宮。丙羊起到活體培養(yǎng)胚胎的作用，稱為中間受體。

⒌重構(gòu)卵移入丙羊輸卵管內(nèi)6天后，從輸卵管沖出胚胎，挑選正常發(fā)育到桑椹期和囊胚期的胚胎。

⒍將1─3個桑椹胚或囊胚，移植到蘇格蘭黑臉羊(丁羊)的子宮內(nèi)。胚胎移植到子宮后,繼續(xù)發(fā)育,最后生出“多莉”。這只母羊稱為“代母”。

此項用了約434個卵子,獲得277個重構(gòu)卵,移植到中間受體6天后，沖出247個胚胎,其中發(fā)育到桑椹胚和囊胚的29個%)。把29個胚胎移植給13只代母，最后生出1只“多莉”,產(chǎn)羔率僅為%。若以重構(gòu)卵數(shù)計算,產(chǎn)羔率低于4‰?？梢娺@一技術(shù)有待于完善。另外需要說明的是，克隆綿羊技術(shù)并沒有做到完全復(fù)制，去核卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)也會含有少量遺傳物質(zhì)，它對胚胎發(fā)育也能起重要甚至是決定性的作用。生物的遺傳是細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)共同作用的結(jié)果。細(xì)胞質(zhì)基因也是DNA片段,其載體主要是一些細(xì)胞器，如質(zhì)體、線粒體等。細(xì)胞質(zhì)基因在一定程度上是獨立的，一般不受核基因的干擾。與核基因相比盡管細(xì)胞核含有%的遺傳信息，但個體的性狀表達(dá)仍然會受到卵細(xì)胞質(zhì)的影響。因此，從理論上分析，“多莉”羊還不是完全復(fù)制品。由于“多莉”只是孤單的一個，所以有人認(rèn)為，說“多莉”是一克隆動物，并不準(zhǔn)確。雖然目前只獲得1只“多莉”，但它是令世人矚目的重大科學(xué)成就。

五、克隆技術(shù)的意義及經(jīng)濟價值

波瀾壯闊的人類歷史在很大程度上是由技術(shù)推動發(fā)展的：金屬制造和改良的農(nóng)業(yè)使文明脫離了石器時代；19世紀(jì)的工業(yè)革命又導(dǎo)致了大機器和大城市的興起；到了20世紀(jì)，物理學(xué)戴上了王冠。物理學(xué)家們劈開原子，揭示了相對論和量子理論的奇妙世界，還開發(fā)利用了小小的硅片。他們通過原子彈、晶體管、激光和微型集成電路改變了世界?，F(xiàn)在，許多專家相信，人類已經(jīng)做好了用新的科技發(fā)展浪潮迎接未來的準(zhǔn)備。正如1996年諾貝爾獎獲得者、美國賴斯大學(xué)的化學(xué)家羅伯特·柯爾所說：“現(xiàn)在是物理學(xué)和化學(xué)的世紀(jì)，但下世紀(jì)顯然將是生物學(xué)的世紀(jì)?！痹S多科學(xué)家認(rèn)為，以克隆綿羊“多莉”誕生為標(biāo)志，生物學(xué)世紀(jì)已經(jīng)提前到來。

克隆技術(shù)的突破，引起世人的震驚。人們擔(dān)心的是人類的自我復(fù)制，而往往忽視了其他方面的應(yīng)用和意義。其實，它在基礎(chǔ)生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、家業(yè)科學(xué)研究與生產(chǎn)中，具有重大的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景，并存在著巨大的潛在經(jīng)濟效益。在未來的5～20年，將逐步形成和引起一場世界范圍內(nèi)新的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命。

⒈在基礎(chǔ)生命科學(xué)方面，由以往進(jìn)行基因功能研究主要在小鼠等少數(shù)動物身上進(jìn)行到現(xiàn)在在多種動物身上均可得到實現(xiàn)，這有利于更加清晰地揭示基因功能和生命的本質(zhì)；提供研究哺乳動物細(xì)胞發(fā)育全能性及核質(zhì)關(guān)系最有效的手段之一；還可以克隆各種瀕危動物，如國寶大熊貓、金絲猴甚至白鰭豚等。

⒉在醫(yī)學(xué)科學(xué)方面，可以為醫(yī)學(xué)科學(xué)研究提供核基因型完全一致的實驗動物，這有利于醫(yī)學(xué)家研究目前尚未找到有效治療方法的疾病，并揭示發(fā)病機制；對其進(jìn)行去分化機制的研究，有助于抗衰老及其機制的研究。

⒊在農(nóng)業(yè)科學(xué)方面，可快速培育和擴繁抗病力強、生產(chǎn)性能高的優(yōu)良動物；可以研究動物的發(fā)病機理，尋求新的有效治療藥物。

六、如何迎接“克隆時代”的挑戰(zhàn)

克隆技術(shù)的成功，標(biāo)志著“復(fù)制”哺乳動物的最后技術(shù)障礙已被突破。隨之而來，在理論上復(fù)制人類已成為可能。所以，克隆技術(shù)不僅給我們帶來了益處，也向人類提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這一技術(shù)一旦應(yīng)用于人類，將會對人類社會產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果。

⒈人類從有性生殖回到了無性生殖，無疑是一個巨大的倒退。

⒉“克隆人”沒有父母，沒有親情，社會將會變得冷酷無情。

⒊“克隆人”成年后也有可能會通過有性繁殖來繁衍后代，不知不覺地就可能造成大量的近親結(jié)婚，其后果是不堪設(shè)想的。

⒋從社會學(xué)的觀點看，人類之所以能不斷發(fā)展進(jìn)步，是靠每個人的不斷努力和奮斗，這種力量的來源除了個人的理想外，就是人們對社會、對家庭的義務(wù)，如果沒有贍養(yǎng)老人和撫育下一代的義務(wù)，這種力量就會大大地減少，對整個社會的發(fā)展也是不利的。

⒌科學(xué)家的“復(fù)制品”不一定能成為科學(xué)家。人的成才除了先天的原因外，后天因素也起著重要的作用。如果這些“復(fù)制品”都背上科學(xué)家的“包袱”，而不努力學(xué)習(xí)，社會豈不倒退了嗎？再者，如果有人為了報復(fù)社會，大量地克隆弱智人，社會將怎么辦？如果有人瘋狂地“復(fù)制”像希特勒那樣的狂人，加以后天的“培養(yǎng)”，更讓人毛骨聳然……

從克隆綿羊的誕生，使我