近年来,动物克隆技术飞速发展,其成果令人瞩目,已先后取得了小鼠、绵羊、牛、兔、猪、山羊等哺乳动物胚胎细胞克隆的成功,并相继获得绵羊、小鼠、牛、山羊等哺乳动物体细胞克隆后代。
克隆猪技术
目前,生产克隆猪主要有3种不同方法。第一种方法是胚胎分割。利用胚胎分割技术将动物早期胚胎一分为二,甚至一分为四或八,以获得同卵双生或同卵多生后代。迄今为止,通过胚胎分割已获得了从2细胞到扩张孵化胚泡各发育阶段的同卵双生后代。利用该技术已成功获得小鼠、山羊、绵羊、牛、马和猪的同卵双生后代,还获得了同卵三生(牛)和同卵同生(绵羊)后代。但此法得到的分割胚胎有限,生产克隆猪时应用得较少。
第二种方法是利用胚胎干细胞(ES)形成的生殖系嵌合体生产克隆后代。胚细胞具有多能性,当被导入早期胚胎后可形成嵌合体,然后筛选出生殖系嵌合体并进行交配便可得到克隆后代。在小鼠上ES细胞和基因打靶技术已成为生产转基因动物的常规方法。猪ES细胞分离成功的报道很少,只建立了猪类ES细胞系,因此利用生殖嵌合体生产克隆猪受到限制,随着猪ES细胞分离成功,该技术可望在猪克隆上得到广泛应用。
第三种方法是核移植技术。当前,克隆猪大多采用此法。通过移植技术已相继成功地获得了小鼠、绵羊、家兔、猪和山羊的克隆后代,牛克隆胚的重复克隆已获得了第六代克隆胚和经三代克隆犊牛。山羊胚胎细胞核移植胚的再克隆也已成功。Campbell等(1996)诱导胚胎细胞系中分化程度比ES细胞更高的上皮细胞退出正常的细胞分裂周期而进入静止期(G0期),然后移入核受体,最终获得成活羔羊。Wilmut等(l997)利用成年绵羊乳腺上皮细胞成功地进行下体细胞克隆,获得克隆后代多利。到目前为止,利用核移植技术生产克隆动物的核供体细胞主要有3种:胚胎细胞、胎儿成纤维细胞和体细胞。后两者来源广泛,培养较容易,但并不适于同源重组,而同源重组又是生产基因敲除动物所必需的。相反胚胎细胞更接近于ES细胞,可进行同源重组,并可建立细胞系。克隆动物时需要大量成熟卵母细胞及胚。因此有必要获得大量未成熟卵母细胞并通过建立体外成熟、体外受精和体外培养系统来满足需要。核供体细胞经体外扩增后被移入去核卵母细胞构成重组胚,这些重组胚移植入假孕母猪体内妊娠直至分娩。
PPL公司的5只可隆猪:Noel, Angel, Star, Joy and Mary
具体研究进展
有关克隆猪的专题报告中一般采用将未分化的早期胚胎细胞(4细胞的卵母细胞胚)作为供核细胞 与去核卵母细胞融合,经表型选择后进行的猪克隆繁殖,在内品生产中具有潜在的重要意义。另外,基因修饰技术与克隆技术的结合能为人类创建外源性移植器官的潜在供体。
在众多有关家畜克隆的报道中均以胎儿成纤维细胞作为供核细胞,究其原因是这些细胞能在克隆前进行基因修饰。 因此,我们对猪胎儿成纤维细胞在核移植后继续发育的能力进行了评估。将“梅山×梅山( 黑毛)”猪在妊娠24d时屠杀取其胎儿,经胰蛋白酶作用后建立原代细胞培养。再将细胞进行高密度平板培养传代2至6次,最后进行融合;在不补充培养基的情况下连续培养l6d,产生的细胞处在G0期,最后用PCR方法鉴定每个胚胎的性别。由于与它们的成纤维细胞抗原性一致,经培养的细胞对细胞角蛋白和阶段特异性Ⅰ型胚胎抗原呈阴性反应,但是对中胚层的标记波形蛋白呈强阳性。
由成年体细胞克隆的小鼠系采用特殊的非融合方法,即通过电压驱动微注射方法选择性地将供体核导入去核卵母细胞,我们将该方法应用于猪的 细胞核移植中。在含有细胞松弛素的NCSU23培养基中,采用电压驱动微注射方法将取自长白小母猪或黑白花小母猪(长白×杜洛克)卵母细胞中的中期Ⅱ型染色体和第一极体除去,通过电压驱动微注射将“梅山×梅山(黑毛)”杂交猪的胎儿成纤维细胞核单个导入每个去核卵母细胞。重新生成的胚前体在38℃孵化3~4h,然后用脉冲电激活,最后再对所获得的 核移植胚胎进行培养。
虽然猪胚胎能在体外很好地发育至胚泡阶段,但移植到代孕母猪的子宫角后,生长发育情况却很差。由于要确保母猪能正常妊娠一般至少需要4个胎儿,据此推断如果子宫内存 在经受精产生的辅助胚胎,会有助于克隆胚胎的完全发育。
为了研究辅助胚胎在子宫内促进克隆胚胎发育的能力,设计了2个试验,克隆胚胎在试验Ⅰ中经体外培养20h(单细胞 胚胎)或在试验Ⅱ中经体外培养40h(2-4细胞的胚胎)后,移植到代孕母猪子宫中,所有分娩的后裔仔猪(试验Ⅰ的9只仔猪和系列试验Ⅱ的24只仔猪)全为白色,因此,可以证明这些仔猪为非克隆猪。克隆胚胎无法完成4胎的妊娠全过程的事实表明,核移植胚胎和辅助胚胎间的比例是相当重要的,本次试验中2种胚胎比例显然不是处在最佳程度。
试验Ⅲ将在2-8细胞阶段间进行核移植的11O个克隆胚胎经成纤维细胞培养基传代2至6代后,移植到4只 不含辅助授精胚胎的代孕母猪子宫中,其中3只代孕母猪分别在胚胎移植后的27d、35d和6ld 开始发情,猪的发情周期为2ld,发情延迟表明每只代孕母猪已经妊娠。由于猪胚胎在子宫壁着床发生于胚胎发育的13d至l4d,所以很可能其中2只妊娠母猪在胎盘形成后就终止胚胎发育,胚胎终止发育的原因不明。
在第3个试验中,第4只代孕母猪在接受36个克隆胚 胎的输卵管移植后仍继续妊娠,而这些克隆胚胎是在成纤维细胞培养基中传代至第2代时被取出移植的。其中一个克隆胚胎发育到足月,于2000年7月2日自然分娩,所产仔猪取名Xena,初生体重1.2kg,胎盘重0.3kg,两者均处于非克隆仔猪的正常值范围内。仔猪胎盘经解剖观察表明正常,而有些克隆牛的胎盘畸形,采用核微注射技术的克隆小鼠,其胎盘始终比非克隆小鼠的大得多。
Xena克隆猪体质健康、雌性、黑毛色,与“梅山×梅山 ”核供体母体的预测结果相符。为了确证这一结果,从与Xena克隆猪有关的3个相关体 (Xena、长白代孕母猪、培基的成纤维细胞中提取DNA,设23个标识组,进行特异性微卫星标记分析。这些分析是在另外的实验室里进行的,因而不带有任何主观色彩。分析结果证实Xena克隆猪的基因组与梅山猪供核威纤维细胞的基因组属同一种类,与长白代字 母猪的基因组有明显的区别。
上述研究结果表明,采用微注射技术将体细胞核移植到去核卵母细胞能成功克隆出猪。虽然还没搞清全部机理,但推测部分原因是由于微型吸管 的电压激活时操作快速所致;此外,猪克隆的成败可能与供核细胞的胞质染色体污染敏感度有关,相对融合(细胞移植,而言,微注射方法更有利核移植的进行。与融合不同,微注射 可选择性地去除大部分供核细胞的细胞质,因而相对而言胞质的含量在胚胎早期是稀薄的。
研究意义
利用克隆技术可以极大地加快猪育种进程,大大缩短育种年限,在较短时间内获得大量遗传同质的优秀后代,显著提高育种效率。猪克隆技术与转基因技术相结合可为人类生产大量的珍贵生物制品,并在医学领域也有诱人的应用前景。这种技术除了可以生产各种医用人体蛋白外,对人类的细胞和组织治疗也大有好处。用此技术可以生产基因敲除动物,从其身上可以获得不含人特定抗原基因的组织器官,以用于异种移植,解决人类移植器官供求矛盾,促进人类疾病的治疗。而这一点正是克隆猪较其它克隆物种所具有的独特优点。
问题与不足
猪克隆虽然意义深远,但其研究进展相对缓慢,相关技术日前还很不完善。体外成熟、体外受精及体外培养系统还很不成熟,细胞核的分离和卵母细胞的去核水平也需提高。深层次的原因是相关基础理论研究十分薄弱,缺乏对一些早期胚胎发生机理的深入了解,基因组重新编程的机制尚不清楚,基因印迹对核移植后基因组重新编程的影响也有待进一步阐明。总之,今后如能克服目前所遇到的各种困难,猪克隆技术将得到进一步完善和发展,其中基础研究及生产实践方面的应用也会更加广泛。