中國科學家是怎樣得到無性繁殖小鼠的?

本文圍繞中國科學家如何得到無性繁殖小鼠展開,居間了其採用誘導幹細胞法培育出克隆小鼠“小小”的過程,對比了該技術與傳統細胞混合克隆法的差異,闡述了這一成果的重要意義、誘導幹細胞法的潛在風險以及後續幹細胞技術的研究進展。

中國科學家是怎樣得到無性繁殖小鼠的

2009年,世界權威的科學雜誌《自然》和《細胞》的“幹細胞”分冊都報導了中國科學家的一項令世界為之矚目的研究成果:他們從一隻雄性黑色小鼠尾巴上取下一些皮膚細胞,經過“誘導”之後,在小鼠子宮內發育成活的小鼠(得到了無性繁殖小鼠),其中第一隻叫作“小小”。《自然》雜誌還專門為此舉辦了新聞發布會,高度評價中國科學家的這項工作。

“小小”的出生,自然會使人想起“多利”。早在1996年,英國科學家就用“去核卵與體細胞混合法”,成功地培養出一隻無性繁殖綿羊。在那之後,科學家又成功地得到了其他一些動物,包括牛(1999年)、山羊(1999年)、豬(2000年)、兔(2002年)、貓(2002年)、大鼠(2003年)、馬(2003年)、狗(2005年),等等。既然已經有那麼多種動物能經過混合細胞繁殖了,那“小小”的出生是不是又增添了一種動物無性繁殖的新方法呢?要不是這樣,為什麼這項成果這麼受重視呢?

原因就在於,中國科學家研製“小小”所用的辦法,不再是得到“多利”和其他動物的“細胞混合法”,而是一種新的技術,叫作“誘導幹細胞法”。

“細胞混合法”能使多種動物繁殖,證明了動物的體細胞與去核卵混合後也具有“全能性”,具有“破冰”的重大意義。但是這種方法存在嚴重的缺點。一是它需要使用同種或近親動物的卵,但是許多動物的卵非常難以得到。為得到適用的卵,科學家花費了大量的時間,吃盡了苦頭。二是這種方法的成功率極低。在威爾穆特的277次試驗中,只有“多利”成活。而在用這種技術繁殖馬時,在841個形成的胚胎中,只有一匹小馬能夠活著出生。三是由“細胞混合法”得到的動物有這樣那樣的問題,如“多利”就早早夭折了,這說明由細胞混合得到的“組裝”細胞的全能性還存在著一些問題。要是有一種辦法,能夠在不使用去核卵細胞的情況下,也能使動物的體細胞獲得“全能性”就好了。

中國科學家們從雄性黑色小鼠的皮膚細胞中用轉基因的方法“誘導”出37個“多功能幹細胞”的細胞系,並從中挑選了6個,將這些細胞一一分開,分別植入1500多個小鼠“四倍體”囊胚中,再轉移至小鼠的子宮內。21天後,被借用子宮的一隻白鼠終於生下了第一隻黑色小鼠,這就是“小小”。隨後,又有26隻小鼠相繼出生。全部27隻鼠都是來自一隻小鼠的皮膚細胞,因此是一個鼠克隆。現在,“小小”的第二代和第三代加起來已經有數百隻小老鼠了,它也成了這個大家族的“鼠爺”。

“小小”和它的子孫們的出生,證明不用“細胞混合法”,僅用幾種外來基因,也可以把動物的體細胞(這裡用的是皮膚細胞)變成“多能幹細胞”。這是動物無性繁殖技術的一個重要發展,也是幹細胞理論研究的一個重要突破。不可否認,用外來基因把皮膚細胞“誘導”成為“幹細胞”的方法雖然有效,不過也有缺點。它要用病毒的遺傳物質作為運載工具。這些病毒在完成它們的“搬運”任務後,就永遠留在細胞內,留下了隱患。它們也會隨機插入到細胞的dna內,有可能破壞一些對生物體起著重要作用的“好”基因,也可能會打開一些對生物體有害的“壞”基因。“誘導幹細胞”的“多能性”,也意味著它們具有強大的繁殖後代細胞的能力和變化成其他任何種類細胞的能力,有形成癌細胞的風險。好在中國科學家們得到的“小小”以及“小小”的弟弟們現在已經子孫滿堂了,而在它們的子孫中尚未出現我們所擔心的危險。但是既然會有潛在的危險,就要防患於未然。

2012年,德國科學家宣布,他們在細胞培養液中加入各種能促進和控制細胞生長和分化的蛋白質“生長因子”,就可以把皮膚細胞變為神經幹細胞。這樣就完全不用擔心外來遺傳物質在細胞內引起的危險。不過,這樣形成的幹細胞還不是“全能幹細胞”,只能分化成有限的幾種神經細胞。這樣形成的幹細胞生長和分化的能力雖比較弱,但不引入外來遺傳物質,產生癌細胞的風險也比較低。雖然這種技術還不能用來無性繁殖動物,但是可以用於替補壞掉、死亡的細胞和組織。隨著細胞工程領域相關技術的飛速發展,人們對科學家們在幹細胞領域大展身手的未來場景正拭目以待。