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动物克隆失败的原因

投稿时间:2017-04-05 18:16 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

英国爱丁堡罗斯林Roslin)研究所的威尔穆特(Wilmut)等人[1]1997年2月27日的英国《自然》杂志上发文宣布,用一只母羊的未受精卵细胞去核后,植入另一只母羊的乳腺细胞的核内染色质,克隆出了绵羊“多莉(Dolly)”。消息一出震惊世界,此后几年的“克隆”热潮几乎席卷全球。我老家众多的奶牛养殖户也应邀成为了克隆中国黄牛的代孕法人。

几年的热潮过后,质疑之声却越来越高,多莉的创造者们至今也没有获得诺奖。原因是其他人用未受精卵做的同类实验几乎没有真正成功的。其实,在那之前和之后的至今,人们成功地用受精卵去除核的内容物,再以体细胞的内容物替代而得到克隆动物的例子已经不少。那么,受精卵和未受精卵的核内容物同样都被体细胞的核内容物替代,为什么受精卵就能克隆成功,而未受精卵就不能克隆出哺乳动物?使用未受精卵克隆动物失败的原因究竟是什么?再者动物和植物对克隆的区别在哪里?本文将根据现有的文献资料对此进行理论分析。

一、缺少微管组织中心(MTOC)是未受精卵克隆失败的主要原因

本文首先从理论上推测,在这些克隆实验中,受精卵与未受精卵的根本区别不在核内,而在核外的胞浆中。2016年Coffman, V. C. 等人[2]已经证明,有性生殖动物的未受精的成熟卵细胞中,通常处于核外的中心体或微管组织中心(MTOC)是缺失的。受精时精子不但贡献一个由单倍体构成的精子原核,还为卵细胞的胞浆提供一个MTOC,精子进入的地方成为受精卵(或胚胎)的后边,以此受精卵建立极性。受精后MTOC很快复制并相互分开而移动到精子原核的两边。起初,它们之间的连线垂直于胚胎的长轴。两个MTOCs在分开的同时开始成核微管阵列,并定向和定位两个原核。它们通过微管阵列先使两个原核合并,而后移向胚胎中心。同时两个MTOCs之间的连线逐渐移动和转动最后与胚胎轴重合。微管阵列不断生长,在核包被消失后纺锤体形成,而后开始细胞分裂。

根据众多的实验资料和理论分析,我们认为,使用未受精卵进行动物的体细胞克隆实验的失败,一个主要的原因就是没有给未受精卵的核外胞浆中植入MTOC。不同于本身就具有极性的植物细胞,动物细胞开始时往往极性不确定。每个MTOC或中心体的核心部件是一对中心粒。每个中心粒都是由93联微管组成的圆环。比较大的、中心粒的这种特殊的完整晶形使它很难自然生成,它只能从上一代继承,或由完美晶形的一对中心粒作晶种,再在特殊胞浆环境下复制而得。

通常动物细胞的中心粒只在G1期和/S期的有丝分裂过程中复制一次。此后由于中心体复合物蛋白的笼络和掩盖,中心粒失去了完美晶面的暴露,因此它只能透过笼络的孔隙成核微管而不能再成核新的中心粒。不过在具有鞭毛的细菌等微生物的分裂时,中心粒可能被多次复制,多余的中心粒成为成核鞭毛的基体。

构成纺锤体的微管不同于中心粒,它既可由微管组织中心成核,也能由已经存在的短微管成核,并且这些短的微管还可以从上一代细胞继承而来。

由以上分析可见,成熟的卵细胞因缺少MTOC而停止继续分裂,等待受精。成熟的精子因染色体的端粒被磨损至尽而停止分裂。当受精时,精子不但提供了一半的DNA,还为卵细胞的胞浆提供了MTOCMTOC能成核微管阵列建立纺锤体,帮助受精卵分裂。具有全长端粒的卵子的DNA与端粒已经磨损至尽的精子的同源DNA结合。这样一长一短的端粒的一对染色体,经过端粒酶的作用将短的端粒补齐,一个新生命的遗传信息的重新编程由此开始。显然,以动物体细胞核代替未受精卵的细胞核的克隆,核外胞浆中仍缺少着MTOCs。而使用受精卵进行的克隆,因为受精时已经引入了MTOCs,所以实验很易成功。

如果用未受精卵进行的克隆中,在核外胞浆中同时引入一对中心粒,似乎问题就能解决。但应该注意的是,中心粒的复制是有很严格的条件,比如必须是一对,且表面干净,无附属蛋白笼络,两个环形晶体的各晶面完好,另外还要有合适的胞浆环流等条件。只要这些条件掌握好了,我认为使用未受精卵进行的动物体细胞的克隆是有希望的。

二、生殖细胞减数分裂的抑制及重新编程的控制机理

在卵细胞最后成熟期间的二次减数分裂过程中,中心粒与DNA的复制都成为缺失。不过两者的因果关系还需要实验的确定。阻止成熟卵细胞在未受精前继续分裂的因素,显然是由中心粒构成的MTOC的缺失,而不是受DNA分子中的端粒长度控制。因此,我们推测成熟的卵细胞核中的单倍体的DNA分子的端粒应该是足长的。卵细胞在雌性个体的胚胎形成后的最早几天或十几天内就已经形成,此后一直到青春期卵母细胞的减数分裂之前,都未发生分裂,因此,在其胚胎发育和个体成长过程中各染色体的端粒肯定不会被磨损。

使成熟精子细胞停止分裂的机理可能与成熟卵细胞的机理不同。它很可能是端粒磨损机制。有人已经用实验证实,精原(母)细胞在最后两次的减数分裂,都是不对称分裂。这种不对称分裂也就是我们在“端粒磨损,还是端粒缠绕阻碍了复制?”一文[3]中提出的“横裂”。减数分裂之前的精细胞,23对染色体中只要有一对染色体的端粒已经磨损至尽,通过细胞周期检查站机制就能阻止细胞进入S期。对于细胞周期检查站运作的分子机制将另文讨论。另外推测,精母细胞由于端粒磨损,使其进行有丝分裂的趋势已经大大削弱。通过一种接触抑制机理就能暂停于减数分裂之前的状态。青春期减数分裂后的成熟精细胞只要被排出,就能很快激活新的精母细胞进入减数分裂程序。

三、植物的克隆为何那么简单

与动物相比,植物的克隆就要简单的多。现代技术,只要是植物身上的一部分活的细胞,几乎都能培养成一棵植株。植物细胞的分裂不需要含中心粒的微管组织中心。因为植物细胞固有的极性和定向的胞浆流,及母细胞中残存的微管片段,就能大致沿极性轴方向的皮层成核微管并形成纺锤体。植物的分化还比较低级,在大部分组织中都还保留了全能的干细胞。因此,通过比较简单的诱导,就能使不同器官中的干细胞分化出其它器管的分化细胞。

2017-4-5

参考文献

1、张建一 “克隆羊多利”是真?是假? 中科院科学智慧火花:2016-03-11

2、Valerie C. Coffman, et. al. (2016)Stronger net posterior cortical forces and asymmetric microtubule arrays produce simultaneous centration and rotation of the pronuclear complex in the early Caenorhabditis elegans embryo. Mol. Biol. Cell,November 7, 2016 vol. 27 no. 22

3、王孝恩,端粒磨损,还是端粒缠绕阻碍了复制?中科院科学智慧火花:2016-06-28.