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《现代遗传学——前沿与启迪》第16章 发育的遗传调控 压题故事:克隆猴的诞生——灵长类遗传学平台的突破 精选

已有 3981 次阅读 2022-11-23 14:36 |系统分类:教学心得

2012年诺贝尔生理医学奖授予了英国科学家戈登和日本科学家山中伸弥,以表彰他们在动物克隆中做出的原创性贡献。戈登将青蛙的皮肤细胞核移植到另外一只去了核的青蛙卵细胞中,培育出克隆的蝌蚪,虽然这些蝌蚪变态有问题,但也是实实在在的克隆动物。山中伸弥则是将4种基因导入到成纤维细胞株,诱导这些细胞成为了多能干细胞(诱导的多能干细胞,induced pluripotent stem cellsiPSCs)。其实克隆羊Dolly的研究成果也应该获得诺贝尔奖。

199675日,英国爱丁堡罗斯林研究所(Roslin)的伊恩·维尔穆特(Wilmut)领导的一个科研小组,成功地将芬兰多塞特白面绵羊的乳腺细胞的细胞核移植到去了核的苏格兰黑脸羊卵细胞中,体外发育后,再移植到代孕的母亲:一只苏格兰黑脸羊的子宫中,最后利用克隆技术培育出一只小母羊:多莉(Dolly)。多莉的诞生在实践上证明了,利用体细胞进行动物克隆的可行性,这为大规模复制动物优良品种和生产转基因动物提供了有效方法。人们同时也认识到,在理论上,利用同样方法,也可以克隆人。这之后,人们利用相同的方法,克隆出了近20种不同的哺乳动物,但是克隆灵长类动物却一直没有突破。中国科学院上海分院孙强团队,不断学习新理论,勤学苦练新方法,克服了一个又一个困难,终于在世界上第一次克隆出了猴,取得了灵长类动物克隆的突破。下面我们就看一下孙强教授是怎么取得突破的。

克隆猴的诞生——灵长类遗传学平台的突破

许多模式动物,如线虫、果蝇、小鼠等用于发育遗传学研究。但许多人类高级生理活动相关发育过程和疾病机制,并不能用低等动物进行模拟。因此,非人灵长类动物模型成为生命科学研究、人类疾病模拟和药物实验所必需。但是由于非人灵长类,如猴子,具有性成熟周期长、后代繁殖率低等特征,建立遗传背景均一化的群体,从而开展发育遗传学研究非常艰难。2018年初,中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所的孙强团队,攻克了克隆灵长类动物这一世界难题,首次成功以体细胞克隆出了两只猕猴(图 16-1)。该项成果以封面文章发表于生物学顶尖学术期刊 Cell 上。中国科学家利用猕猴胎儿的体细胞作为细胞核的来源,共向 21 只母猴载体移植了79个克隆胚胎,其中6只成功怀孕,最终生下体细胞克隆猴“中中”和“华华”,它们现在寄养在上海野生动物园内。

早在20多年前,利用体细胞核移植(somatic cell nuclear transferSCNT)技术的克隆羊就已诞生。之后数年内,小鼠、猪、牛、马、狗、猫等动物被成功克隆,但是,体细胞克隆猴一直没有成功。以体细胞克隆灵长类之所以异常艰难,在很大程度上是因为灵长类动物的核移植成功率很低。一方面,灵长类的卵细胞极为敏感,哪怕是极轻微挤压都可能导致其异常分裂,卵母细胞不透明,去核操作非常困难。另一方面,移植后的灵长类体细胞核基因组重编程难以启动。针对这两方面的问题,孙强团队进行了技术攻关。一是多年持之以恒勤学苦练高超的显微操作技术,能在10s内对卵母细胞 进行细胞去核操作,在15s之内将体细胞核注入卵母细胞,因为操作越快,卵细胞受损就越小;二是在借鉴国际同行研究的基础上,大胆创新出一个催化体细胞核基因组重编程的配方。10多年前,一个日本研究团队发现一种组蛋白脱乙酰酶抑制剂曲古柳菌素 ATSA)能提高核移植效率。之后,美国华裔科学家张毅发现一种去甲基化酶Kdm4d/4a,可以大大提升核移植后的体细胞核基因组重编程效率。孙强团队则将TSA Kdm4d/4a结合起来,并摸索出两者的理想浓度组合,把体细胞核基因组重编程效率提高到原来的10倍以上。因此,克隆猴是站在前人肩膀上的成果,是世界科技融合发展的结晶。

 图16-1.png

16-1 克隆猴中中(a)和华华(b

     孙强团队的技术突破,为以猴子为中心建立动物模型开创了契机。近年出现的CRISPR/Cas9技术,为单基因遗传病的治疗提供了可能。利用灵长类的受精卵进行基因编辑,已经有成功的尝试。但受制于它的技术特性,这种基因编辑的灵长类后代中嵌合体比例比较高,也容易产生脱靶效应,通过自身繁殖获得后代的周期非常长,无法获得大量遗传背景均一性高的群体用于科学研究。那么,结合 CRISPR/Cas9 基因编辑技术和体细胞克隆技术,可以先使用体细胞在体外进行有效地基因编辑,准确地筛选基因型相同的体细胞,然后用核移植方法产生基因型完全相同的大批胚胎,用母猴载体孕育出一批遗传背景相同的猴群,这使得批量制备人类疾病动物模型成为可能!孙强教授团队的突破,将大大推动我国在灵长类疾病动物模型构建、药物筛选等方面的研究发展,还能在一定程度上解决灵长类动物使用的伦理问题。




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