2022 年度上海市自然科学一等奖项目:非人灵长类模式动物构建

   日期:2024-09-02     来源:网络整理    作者:二手钢材网    浏览:254    评论:0    
核心提示:此前,全球科学家经过数十年的努力,但一直未能攻克非人灵长类动物体细胞克隆的难题。但即便到了今天,克隆猴技术依然存在瓶颈,成功率依旧不高。而体细胞克隆,理论上是无限的。在此基础上,真正提升体细胞克隆的效率,希望能把现在大概3%左右的水平,提升到10%或以上。

“拔一根毛,炸掉万只猴子!”《西游记》中孙悟空的这一本领,生动诠释了什么是“克隆”。

克隆可以通常理解为“复制”、“像影印一样”一个或多个相同的个体或单位。

这与“龙生九子”完全不同:克隆跳过了有性生殖的过程,也跳过了前者可能发生的遗传物质的“组合”或者变异。

2017年年底,一项世界级的成果诞生:世界首只体细胞克隆猴在中国诞生。相关论文随后于2018年1月25日在国际学术期刊《细胞》上在线发表。此消息立即引爆了整个学术界和科研界。

此前,全球科学家努力了几十年却未能攻克非人灵长类动物体细胞克隆的难题。

直到中国科学家诞生两只体细胞克隆猴“中中”和“华华”。

这项技术突破意味着人类可以利用克隆猴技术揭开更多生命科学的奥秘,如灵长类动物的发育、大脑以及各种疾病相关的问题。

但直到今天,克隆猴技术仍然存在瓶颈,成功率仍然较低。

近日,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心非人灵长类动物研究平台研究员孙强接受了记者的专访。

“我们克隆猴子,是为了更好地打造非人灵长类模型动物。”孙强说。“模型动物”的“模型”是什么?就像是从一个模子里刻出来的。

我们为什么需要克隆猴子?

在克隆猴诞生之前,猴子也被用于基因改造、药物测试等研究,但这些猴子都是由受精卵发育而来的。

“但有一个问题是,它们的基因型不同,每只猴子的遗传背景都不一样。”孙强说。

“再举个例子,比如我们用考试来筛选一批学生,就得给这些学生同一张试卷,对吧?不然,100个人参加考试,有100张不同的试卷,你怎么评价谁水平高,谁水平低?药物筛选也是一样,你得用同一张‘试卷’来评价你的药好不好,只有这样才能减少样本之间的误差。这时候,药物就是这些‘考生’,猴子就是这些‘试卷’。药物筛选用的猴子模型,比如基因编辑、转基因的猴子,如果它们的基因型不同,致病基因的表达水平、遗传背景可能不同,就会使问题复杂化。克隆技术可以解决这个问题,使它们的遗传背景、基因型一致,这样才能真正成为模型动物。什么叫模型?就是同一个模子刻出来的。”

克隆猴提供了近乎完美的模型,猴子属于灵长类动物,是生命进化上与人类最接近的动物。

“比如我有一组A基因突变的猴子,除了A基因的差异,其他背景都一样。如果一种药物与对照相比,能减轻A基因突变引起的症状,那么就能证实这种药物是正确的。”孙强说。

除了测试药物之外,人们还可以基于这种近乎完美的动物模型,研发新药,探索更多生命科学未知的前沿。

其实,“克隆”无处不在,植物的无性繁殖,比如扦插、嫁接、落叶生根等,都是“克隆”。

人类也早已尝试克隆各种动物,但克隆猴子等非人类灵长类动物一直是一个难题。

早在20世纪初,德国动物学家、实验胚胎学的先驱汉斯·施佩曼就利用胚胎分裂技术克隆了蝾螈。

胚胎分裂作为一种早期技术,当然是​​不完善和低效的,所以它并没有成为动物克隆领域的一个主要方向。孙强说,“你可能在二细胞阶段就分裂,也可能在四细胞阶段就分裂,最多只能分裂出四个细胞,如果全部成为个体,最多只能成为四个个体。但实际上,有时四细胞阶段只有一两个能出生并存活下来,所以胚胎克隆的克隆数量是有限的。而体细胞克隆,理论上是无限的。”

因此,现代动物克隆技术的主流是“细胞核移植”,尤其是体细胞核移植——用体细胞核取代卵母细胞(卵细胞)的细胞核。由于胚胎细胞数量有限,体细胞是更好的细胞核来源。一个细胞核对应克隆后代的一个小生命。

1928年,斯佩曼尝试将蝾螈胚胎的细胞核移植到卵细胞中。虽然克隆最终没有成功,但这是“核移植”的首次实践。

1962年,英国牛津大学科学家约翰·戈登将非洲爪蟾的肠上皮细胞细胞核移植到蛙卵中,培养出蝌蚪,其实验的成功率仅为2%。

1996年,克隆羊多莉诞生。经过277次细胞核移植,只产生了29个胚胎。最终只有多莉幸运地出生。这个成功率低于非洲爪蟾的2%。但多莉的诞生打破了“哺乳动物体细胞不能分化”的刻板印象。

随后,又实现了猪、牛、狗等动物的体细胞核移植克隆。

但克隆猴总是会在子宫内死亡。

克隆猴并不只是为了克隆猴。在克隆猴诞生之初,研究团队负责人蒲慕明院士就表示:制备克隆猴的目的不是为了猎奇,也不是为了克隆人,而是为了建立非人灵长类疾病的动物模型,为人类疾病机制研究、药物研发带来希望。

孙强,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心非人灵长类动物研究平台研究员。

愚公的“核移植”与克隆猴的瓶颈

在体外人工构建一个生物体有多难?

生命的繁衍过程太复杂了。

“挑战太多了!”孙强说,“别说培育猴子了,就算是直接从胚胎培育出老鼠,不依赖任何母亲,都是很令人震惊的事情,这意味着(哺乳动物)生命可以在体外培育出来,是真正的试管婴儿。”

他说:“目前,早期胚胎的一切发育过程还没有完全搞清楚,子宫如何保证胎儿的营养,器官在子宫内如何分化,是什么诱发了器官的对称发育……有太多未解问题。”“离开子宫还是不可能,怎么模拟子宫的环境?毕竟早产儿在母体内孕育150天以上,接近出生,各个器官都发育完全了。但要完全从一个受精卵和一个细胞培育、生长出来,难度很大。如果能做到,那将比克隆更令人震惊!”

因此,现在我们要克隆猴子,还是得“借子宫”:依靠卵母细胞,构建重组细胞,并将其激活,移植到代孕猴的子宫里,然后等待分娩。

孙强介绍,2003年,美国匹兹堡大学教授杰拉德·沙滕( )利用美国俄勒冈州灵长类动物中心一次性克隆了700多个卵子,然后将它们移植到30多只猴子体内,最后无一产下后代,他当时非常失望。俄勒冈州灵长类动物中心的另一位教授舒克拉特·米塔利波夫( )认为可能是技术问题,2007年他接受杂志采访时称,自己曾用1.5万个卵子克隆过猴子,2010年他发表论文称,自己曾将克隆胚胎移植到10只猴子体内,但只有一只怀孕,而且这只猴子在怀孕81天时流产。

“我们花了近五年时间解决这些问题,失败了、失败了、再失败了,最大的一次失败发生在2017年8月。”“8月份,我们得到了两只克隆猴,一只出生140多天,活了三个小时,没有肺可以呼吸,死了;另一只活了30个小时,同样死了。当时我们的失望达到了顶峰,就像买彩票一样,有10个中奖号码,第一个号码到第九个号码全都对,然后第十个号码突然就错了。”

他们克服了一次次失败,终于在2017年底成功培育出世界上第一只体细胞克隆猴。

孙强介绍,“其实体细胞很小,猴卵母细胞直径110微米,已经很大了,而体细胞直径大概只有十几个微米。我们没有去掉细胞核,细胞器和线粒体也很少,我们是直接把整个体细胞融合起来的。我们检测过,华华的细胞里线粒体来自供体猴的体细胞,忠忠的细胞里线粒体不到3%。”

“现在的问题是克隆的效率还很低,猴子体细胞表观遗传重建的机制、早期胚胎的表观遗传变化还不清楚。我觉得最重要的(工作)是先把猴子的表观遗传机制搞清楚,在此基础上才能真正提高体细胞克隆的效率,希望把现在大概3%的水平提高到10%以上。”

孙强说,“2024年初,我们发表了一篇文章,在克隆恒河猴时,解决了胎盘发育的问题,通过滋养层细胞替换,把克隆胚胎的移植效率从2%提高到9%左右,提高了4倍多。”

孙强说,克隆并不是自然发展的过程,需要克服很多障碍。通过这个克隆过程,人们可以了解早期胚胎发育的生物机制,特别是表观遗传层面的机制,这也是对生命的一种认识。

目前,孙强团队正在利用多组学和测序方法,分析细胞基本表观遗传学的变化以及克隆过程中发生的变化,以观察各种调控过程的振荡。

科学研究三个阶段:试管猴、转基因猴、克隆猴……

“有人联系我,说他的宠物狗快死了,问能不能克隆。中国有公司在做这个。我克隆的是猴子,不是狗。”孙强说。

孙强在演讲中提到,自己研究的三个阶段:试管猴、转基因猴、克隆猴……

他说,直到2008年,他在云南省西双版纳州澜沧江畔的一座山上工作了4年。

那是一个973国家重点研发计划项目,他接手的时候,项目已经进行了一半了,因为转基因猴技术体系在2001年就已经建立起来了,项目的目标就是生产出转基因猴,他半途就去了,目标至少是生产出试管猴,如果能生产出转基因猴就更好了。

他记得很清楚,2007年2月4日,正值立春,他们培育出了中国第一只试管猴,之后又培育了十几只,可惜无一例转基因阳性。项目结束后,因没有资金支持,他便退出了大山。

回国后,他在上海呆了半年多,幸运的是,一个机会来了,中科院神经科学研究所的蒲慕明先生找到他,请他继续做猴子实验。

这次是苏州太湖西山岛,这里有个大型猴场,有上万只猴子,他到岛上来陪猴子玩。

据孙强介绍,工作人员要做的一项工作就是检查猴子的月经情况。岛上实验室里大约有几百只猴子,每天都要检查猴子的月经情况。每次给猴子“超排卵”都要打针,从月经第一天开始,一般连续12天,每天打2针。

孙强介绍,通过20代近交获得的小鼠近交系,遗传背景相同。小鼠的繁殖周期大约为半年,连续20代最多需要10年,这在上世纪初就已经做到了。而猴子的繁殖周期、性成熟时间、传代时间需要5年,20代则需要100年,“没人能做到”。

这就是人们需要克隆猴的原因:跳过近亲繁殖,缩短这100年。

孙强在世界首例体细胞克隆猴新闻发布会上的报告中表示,体细胞克隆可以概括为四个节点:胚胎构建、胚胎激活、核基因组起始、着床后发育。除了最后一个节点无法控制外,前三个节点都是可以干预的。但每个节点都是一座“山”。

最初,团队其他成员均为兽医,包括取卵在内的绝大部分精准实验操作均由孙强一人完成。

据《中国科学报》报道,即便是2010年国庆假期,孙强在一个雨夜骑车遭遇事故,锁骨骨折,他还是强忍剧痛,花了十天时间,才完成原定的取卵实验,随后住院接受手术。很多时候,大多数目标不值得以健康为代价去投入,但面对这项杰出的研究,孙强觉得自己必须这么做。

幸运的是,研究生刘真2010年加入了孙强的团队,次年开始在岛上生活,并迅速成长为团队骨干。

据公开媒体报道,刘真花了两年时间练习和优化造胚过程。他先在小鼠卵母细胞上练习,每天练习8到10个小时,连续练习了差不多三四个月。后来,他改练难度更大的猴细胞——用眼睛看显微镜、用手操作,还要用脚操作。到2014年底,刘真相关实验操作技术已臻完美,取一个细胞核平均只需要10秒钟,注射时间也很短。目前,除了刘真,中科院脑科学与智能技术卓越创新中心非人灵长类研究平台已经拥有一支精通体细胞核移植技术的团队。

孙强说,只有技术精湛,才能保证对卵母细胞的损伤最小。

为了提高胚胎激活的成功率,孙强团队还尝试了多种激活条件。最开始他们使用离子霉素+6-DMAP,囊胚率只有13%。后来他们使用组蛋白乙酰化酶抑制剂,囊胚率提高到16%。借鉴2014年发表论文的研究方法,他们使用去甲基化酶Kdm4,囊胚率提高到45%。

孙强团队也尝试过不同来源的体细胞构建胚胎,最终发现成纤维细胞是最佳选择,也是利用成纤维细胞细胞核,他们成功克隆出“忠忠”和“华华”。

孙强说,“追求真理,保持好奇心。”克隆猴“忠忠”和“华华”只是一个起点,他希望在此基础上,创造出更好的非人灵长类模型动物。“我还要感谢我的家人,因为这些年来,我和猴子相处的时间,比和它们相处的时间还多。”

 
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