多少年来,一个使发生生物学家感兴趣的老问题就是基因组在动物发生过程中的恒定性。换句话说,胚胎的发生、分化和生长是否会对体细胞的基因组产生不可回复的修改。维尔穆特(I. Wilmut)及其同事阐述了他们以前的发现:通过移植细胞核到去核的卵细胞中去可以复制出羊,这个细胞核是从在非常早期的羊胚胎中建立起的细胞系中得来的。现在他们表明同样的方法可用于从来自于更成熟胚胎的细胞系那儿得到活的羊。尤其引人注目的是,已经从6岁母羊乳腺建立的细胞系中获得了一只活的羊。其结果具有极其深远的意义。这些结果不仅确认基因组(免疫球蛋白和T细胞受体基因除外)没有发生不可回复性的改变,而且会开辟一系列新的途径来思考目前关注的问题,并且为开发新的哺乳动物基因操纵方法提供动力。
大约60年前,斯潘曼(Spemann)第一次提出了在发生过程中基因组的核的等同性或恒定性问题。从那时起,实验(主要是两栖动物的实验)显示了从早期胚胎中得来的细胞核可以产生成体克隆。但是取自于蝌蚪的大多数组织成体组织的细胞核却没能产生活的成体,其中发生得最好的胚胎长到蝌蚪期就死去了。
把克隆技术扩展到哺乳动物的尝试其结果形形式式。取自于大于8-细胞期老鼠胚胎的细胞核、全能干细胞的细胞核、内细胞群细胞(inner-cell-mass cell)的细胞核都没能产生活的胚胎。但是其他的物种替如牛羊却得到了较大的成功。使用早桑椹胚(8至16-细胞)期胚胎的供体细胞核第一次产生了成羊克隆。取自于短期培养的多能/全能的细胞的核也产生了后代,这些细胞是从羊和牛胚胎的胚盘建立起来的。
那么,为何羊可以从后期的胚胎组织中(相当于青蛙的蝌蚪期)甚至从成体细胞中得到?很清楚,这并不是这些细胞是全能的,虽然维尔穆特用来供核的细胞可能保留某些干细胞的特点。成功的关键好像在于找到一个方法,使供体核与受体卵细胞的细胞浆更加相容。
在两栖动物和哺乳动物卵当中核移植的研究表明,使受移植的卵母细胞正常发育的一个主要问题是供体核和受体卵母细胞周期的不兼容性,由此当发生一开始就产生了染色体异常。在哺乳动物中,大多数早期用作供体的胚胎细胞核处在细胞周期的S或G2(非2倍)期。这是和两倍的在中期-Ⅱ停止的(优先选取的接受期)卵母细胞互不相容的,当处于S或G2期的核被引入中期-Ⅱ停止的卵母细胞,细胞核可能发生额外的DNA复制和早熟染色体聚合,导致非整倍体(这样,核的染色体就是非二倍数的)和异常的发生。
维尔穆特等人用血清饥饿的方法将细胞周期中止于二倍的G0期,然后从细胞中取核移植。通过这样的途径,他们也许部分地解决了这个问题,中止供体细胞核于G0期。在DNA复制的节律上,应该可以达到每当发生启动时被移植的细胞核和受体卵母细胞之间更好地同步,因此减低染色体异常的发生率。这或许也可以解释为何克隆老鼠是那样的困难。处于前植入期早期的细胞核主要是在S或G期,用血清饥饿很难(如果不是不可能)中止胚胎干细胞的周期。
其他和维尔穆特等人成功有关的因素有:增加G0期细胞的核质和卵母细胞“重塑因子”(remdelling factors)(可能是转录因子和核质结合蛋白)的接触以及以下这个事实,胚胎基因组的转录要到8至16-细胞期才开始,而在老鼠中转录在2-细胞期的晚期就出现了。这在理论上让羊胚胎至少有两个细胞周期重组或重塑被移植的成体细胞核,使之进入胚胎状态。
那么这项研究的前景如何呢?从体细胞进行细胞核移植可用于产生具有某些特性的羊克隆,但是考虑到羊繁殖的季节性和胚胎转录的复杂性,用此方法产生克隆并不容易。尽管移植成功的次数仍然非常低,但技术肯定会得到提高。这项技术最终是否会被用于把经改变的基因引入羊的生殖细胞系?对此目前的障碍是体细胞系对胚胎干细胞系基因的命中频率、同源基因库的可获得性以及正常核型在培养的羊细胞系中可维持的时间长度。细胞核移植在衰老对基因组影响的研究和端粒缩短对衰老的影响的研究上应该也有价值,而且相似的结果也许也能够从已恒定退出细胞周期的神经元细胞核或其他细胞型的细胞核中得到。维尔穆特成功地从成体细胞中得到了一个活羊无疑会促进将这项技术应用于其他哺乳动物物种的工作。也许将来形容羊集合体的名词不再是群,而是克隆。
[Nature,Vol. 385,1997年2月27日]