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人类克隆自己:还有什么困难?

编者按:
 
很多影视作品为了吸引眼球,加入了克隆人类的相关情节。事实上,我们离克隆人只有一墙之隔。早在1958年,生物学家戈登第一次成功地将成年爪蟾体细胞的核移植到卵里发育出活的胚胎,1996年,克隆羊多莉诞生,2006年,日本科学家山中伸弥使用4种转录因子处理体细胞,即可使细胞变回多能干细胞。未来人类是否会复制自己,它将给社会带来哪些伦理压力呢?本专栏由复旦大学教授于文强组织策划,邀请了国内外表观遗传学领域工作者共同完成。
 
撰文 | 王承志(中科院生物物理所) 
责编 | 叶水送
 
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1978年,美国记者David Rorvik出版了一本书:《自我的镜像:人的克隆》(In His Image: The Cloning of a Man),轰动了世界。书中记述了一位叫麦克斯的富翁找到了作者本人,并通过他招募了一批科学家在一个秘密的地点对富翁本人进行克隆实验,而且获得成功。书中详细地描述了科学家如何通过一种叫做“核移植”的技术将这位富翁的基因组放到卵细胞里,并找了一位叫做Sparrow的代孕母亲生出了一名健康的男孩的过程。由于书中对专业细节的描述极其逼真详细,使得很多读者相信这是真实发生的故事而非小说,甚至作者本人也声称这是真实的事件而非虚构。
 
在此之前,普通公众对“克隆”以及“核移植”这样的专业词汇相当陌生。这本书畅销后,引发了公众对克隆人技术以及伦理的广泛探讨。就在此时,英国生物学家德里克·布拉姆霍尔(Derek Bromhall)将这本书的出版商告上法庭,称这本书中关于克隆技术的描写大段抄袭了自己的博士论文,并索赔700万美元。官司一直延续到1982年,最终出版商赔付了10万美元并发表声明这本书确实是虚构的。
 
故事虽然是虚构的,但书中描述的技术却真实存在。1996年,生物学界发生了一件大事,一夜之间成为了全球各大媒体的头条:一只名叫多莉的克隆羊诞生了。它并非人类首次克隆的动物,但这是人类成功使用成年哺乳动物细胞的克隆动物,说明人类有能力对高等动物进行真正意义上的“复制”。一时间,克隆又成为热门话题,很多影视作品也加入了克隆人相关的情节。
 
克隆技术是如何发展起来的?
 
事实上,克隆技术的发展还得从胚胎学发展的早期说起。19世纪30、40年代,细胞学说被提出来,人们认识到所有动物包括人类都是由细胞组成的,动物所有的细胞都来源于一个受精卵。但这也引出了一个新的问题:为何一个受精卵可变成身体各种不同的细胞。1885年,德国进化生物学家奥古斯特·魏斯曼(August Weissman)提出了一个假说来解释这个现象:细胞每分裂一次,遗传物质就减半,含有不同数量遗传物质的细胞就变成不同形态的“分化”细胞。
 
孰料这个假说很快引发了一场争论:胚胎学家韦尔海姆·鲁(William Roux)用两细胞期的早期青蛙胚胎做实验。他用烧热的针头破坏其中一个细胞,剩余的细胞会发育成残缺不全的胚胎,这很符合魏斯曼的假说。而德国生物学家汉斯·杜里舒(Hans Driesch)用海胆胚胎做类似的实验,却发现分开的囊胚细胞可以各自独立发育成完整的胚胎,这完全否定了魏斯曼的假说。尽管双方为此争论不休,却促进了胚胎学的蓬勃发展。
 
1938年,著名的胚胎学家汉斯·斯佩曼(Hans Spemann)提出了一个假想的实验:如果把卵细胞的细胞核替换成别的细胞核,那么这个卵细胞是否能发育成胚胎?限于实验条件,该实验当时未能做成,但这个大胆的想法让很多科学家着迷。1952年,美国生物学家Robert Briggs 和Thomas King改进了核移植技术,并将青蛙受精卵的细胞核移植到未受精的卵细胞中,结果竟然真的发育出了胚胎。受精卵本来就是一个全能性的细胞,这个实验依然没有回答分化后的细胞是否还具有全能性的问题。1958年,英国生物学家约翰·戈登(John Gurdon)第一次成功地将完全分化的爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞的核移植到卵里,发育出活的胚胎,人类实现了长久以来“复制动物”的梦想。从此,克隆动物的大门被人类打开了。 
 
此后,各种克隆动物陆续被科学家造出来。除了多莉羊,还有老鼠、猫、狗、猪、牛等等哺乳动物。人类似乎离克隆自己只有一步之遥。2004年,韩国首尔大学教授黄禹锡发表了一篇论文,称自己成功地在体外克隆了人类胚胎,但随后这篇文章被发现造假。至今,克隆人实验就再也没有公开地发表过。
 
克隆技术遇到了什么瓶颈
 
受精卵可发育出全身所有类型的细胞,这种特性就像树干上能够长出不同的枝叶一样,所以细胞的这种能力被称为“干性”。然而受精卵在发育中逐渐变成特化的细胞,如肝脏细胞、皮肤细胞等,同时将失去干性,这被称为“分化”。在核移植的实验中,失去干性的细胞核重新放回卵细胞中,卵细胞中的一些物质将使其变回具有干性的状态,这个过程被称为“重编程”,类似于人为将运行完的程序再调回初始状态。
 
虽然不同的动物被成功克隆出来,但总体来说,克隆仍然是成功率极低的实验。在多莉羊的实验中,科学家做了277次实验才得以成功。核移植的实验虽然原理简单,但操作起来非常繁琐复杂。另外,每种动物的卵也具有不同的特性。例如,猪的卵细胞里含有大量脂肪,这使得在显微镜下整个卵细胞黑乎乎一片,难以操作;而鸟类的卵细胞中巨大的卵黄,也使得科学家也无法分离出细胞核。
 
另外,核移植技术依赖于供体卵细胞,这也很大程度上限制了其应用。然而,2006年,日本科学家山中伸弥发表了一项突破性的研究:使用4种转录因子处理体细胞,就可在体外把任一类型的体细胞变回多能干细胞。相比核移植技术,这简直称得上是“重编程”的魔法!论文发表之初,干细胞领域的绝大多数科学家对此都持强烈的怀疑态度,然而越来越多的科学家在自己的实验室中重复出了同样的结果,于是才不得不承认这确确实实是神奇且可行的方法。山中伸弥把这种细胞称为诱导多功能干细胞(iPS细胞),他和最早成功地进行成年爪蟾体细胞核移植克隆实验的戈登一起荣获了2012年诺贝尔生理或医学奖。2009年,我国学者周琪和高绍荣分别独立使用iPS细胞成功发育出小鼠,证明了iPS的多能性,也为这项技术应用于动物克隆铺平了道路。
 
自然状态下,细胞为何不可逆生长 
 
前面已经提到,将细胞消失的干性再找回来,把已分化的体细胞变回分化前的状态,这是“时光逆转”的反自然操作,细胞里自然会有相应的机制来防止这种事件的发生。最近,科学家发现这主要是一些被称为“表观遗传”的因子在控制着这个过程。
 
自从1928年英国生物学家弗雷德里克·格里菲斯(Frederick Griffith)证明了DNA是生物的遗传物质以后,遗传学的研究开始从孟德尔时代的宏观实验逐渐发展为分子水平的实验。DNA序列决定生物的表型成为了遗传学的理论基础。
 
然而生物学家慢慢发现,有些时候DNA序列相同却可能出现不同的表型。1930年,美国遗传学家赫尔曼·缪勒(Hermann Muller)在果蝇诱变实验中,发现了一种奇怪的表型:一种突变的果蝇眼睛既不是野生型的红色,也不是含有white基因的白色,而是呈现“白里透红”的花斑!深入研究发现这是由于含有white基因的DNA片段倒位插入到邻近染色体臂附近的区域,虽然DNA序列没变,但它在染色体上的位置变化而产生了不同的表型,这种现象后来被称为“位置花斑效应”。
 
2001年,第一只克隆猫(名字叫做Cc,意思是copy cat)诞生。研究人员惊奇地发现它的毛色和它的“生母”(提供遗传物质的母猫)很不一样。类似地,人类的同卵双胞胎有时也会出现不同的发色。明明是一模一样的DNA,为何出现了不同的表型? 
 
这些现象背后的原理吸引着科学家探索的脚步。人们逐渐发现DNA序列并不是孤立起作用,而是和它周围的其它物质一起形成一个精密的结构,这被称为染色质。染色质里除了有DNA,还有各种蛋白质以及RNA等。更让人惊讶的是,无论是DNA、RNA还是蛋白质,它们上面都有一些额外的基团,例如甲基、乙酰基等等。这些基团被称为“修饰”,但它们的作用可远远不是“装饰”。实际上,修饰可随着细胞的状态改变而改变,并且有时还能影响细胞的状态。更进一步的研究显示,很多修饰还可以在细胞分裂的过程中“遗传”到子代细胞,这些发现逐渐形成了一门新的学科:表观遗传学。
 
表观遗传学发展起来以后,很多以前的老问题迎刃而解了。“位置花斑效应”被证明是由一种会导致基因沉默的组蛋白修饰引起,而Cc克隆猫的毛色和它的母亲不同是由于雌性的两条X染色体被DNA甲基化随机失活一条造成的,因为控制毛色的基因恰好位于X染色体上。
 
而让发育生物学家困惑的“分化”过程,原来本质上也是一个表观因素作用的过程。在干细胞向不同方向分化时,相应的转录因子被激活,然后结合特定的DNA序列并改变相应的染色质状态,从而改变基因表达的状态。这个过程还可以改变其它转录因子的表达,形成级联效应,最终驱动细胞向相应的方向改变,这个过程也被生物学家形象地称为“细胞的命运决定”。
 
由此可见,细胞命运的改变本质上是染色质状态的改变。这个改变过程伴随着转录因子、DNA以及其周围各种蛋白质和RNA之间复杂的相互作用决定。克隆技术依赖的“重编程”实际上也就是染色质状态的“重置”。而“重编程”极低的成功率也与染色质上某些“屏障”阻碍作用有关。多年来,揭开这个屏障的谜底一直是表观和干细胞领域的热点问题。最近,华人学者张毅发表数篇论文,证实一种表观修饰(H3K9me3)是这种屏障之一。去除这种修饰以后,小鼠和人细胞的核移植成功率都得到了数倍的提高。这项突破为克隆技术的发展提供了新的工具。
 
克隆技术的应用潜力 
 
迄今为止,克隆动物依然是一项成功率低、成本高昂的实验。但克隆技术的发展,已极大推动了人类对生命本质的认识。如果有一天,克隆动物变成了简单易行、成本较低的事情,将会给人类带来哪些改变呢?
 
首先,制药行业将极大受益。克隆的动物具有相同的遗传背景,这克服了目前制药研发中药物反应异质性的问题。通过基因编辑操作,可以使实验动物对药物的反应更接近于人类,这样的动物克隆可使药物研发成功率大大提高。
 
由于胚胎干细胞具有全能型,如果能在实验室将其发育为某种组织甚至器官,这将会极大促进再生医学的发展。目前已有皮肤干细胞的克隆进行大面积皮肤损伤(如烧伤或溃疡)治疗的尝试。虽然这离克隆技术还有距离,但因为基于类似的原理让科学家看到未来克隆技术的潜力。
 
2008年,美国FDA在咨询了领域内的专家后发表声明,认为克隆家畜的可食用性(比如肉和奶制品)与非克隆动物一样。这使得研究者可以使用克隆技术来复制具有相应特性(比如产奶量高)的动物。但目前克隆技术成本昂贵,还无法真正应用于农业。
 
克隆技术还可能用于挽救濒临灭绝的动物,甚至可能将已经灭绝的动物“复活”。我国学者曾经做过使用兔作为母体克隆大熊猫的尝试。目前,哈佛大学的教授乔治·切奇(George Church)正在尝试克隆已灭绝的猛犸象,如能获得成功,将会是克隆史上的里程碑式的事件。
 
人类是否能克隆自己? 
 
虽然克隆人类已经出现在各种文学和影视作品中,但现实中并没有人类被克隆。从技术上说,克隆人类(以及其它灵长类)的难度相比其它动物要大得多。因为灵长类动物的卵细胞中的纺锤体蛋白紧贴染色体,而其它哺乳动物的纺锤体蛋白则分散在卵细胞中。在对灵长类动物进行核移植时去掉卵细胞的细胞核时不可避免将纺锤体蛋白也带走,而纺锤体蛋白对细胞分裂是必须的。
 
另外,克隆动物还有很多问题没有解决。其中重要的一点是,人为制造的干细胞和癌症细胞有很多共性,比如都有极强的增殖潜能。研究人员发现经过数十次分裂后,干细胞可以积累大量突变,这增加了科学家对克隆技术的担忧。事实上,多莉羊在6岁时(正常绵羊寿命为12岁)已深受多种疾病折磨,研究人员出于人道考虑,不得不对它执行了安乐死。
 
相比技术上的问题,伦理上的问题则更为突出。每一个人都有其自我以及社会唯一性,如果人类能够被克隆则可能改变这一切。必须要指出的是,人类胚胎在发育早期会去除来自父母的多种表观遗传修饰,如DNA甲基化和组蛋白修饰,所以在人类胚胎克隆中,也一定会去除供体已有的表观遗传学修饰。此外,克隆后胚胎的发育环境,也肯定和供体的早期发育环境不同。因此,从遗传学角度来讲,人类可以克隆自己;但是,从表观遗传学角度,你永远不能“拷贝”你自己。也就是说,克隆一个跟供体完全一样的自己是不可能完成的任务。
 
更重要的是,克隆人类的技术极有可能被恐怖极端组织利用,其后果将让人不敢想象。曾有社会学家预测,如果克隆人类技术可行,一定会有地下组织利用这个技术进行器官以及其他非法交易。人类一旦打开克隆自己的潘多拉魔盒,就可能再也回不了正常的状态了。目前大部分国家已立法禁止任何形式的克隆人类实验。
 
克隆技术朝着高效、易行且廉价的方向发展。其它的生物学技术,如基因编辑技术等也正和克隆技术逐渐结合,这可能会从根本上改变人类对生物学的研究方式。如果克隆技术得到普及,也会改变目前医学、农业等领域的研究和生产范式。但克隆人类的尝试可能会带来难以预料的后果,整个科学界应该永远对此保持高度的警惕。
 
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