小鼠和猪很容易克隆;大鼠更难。人类更难,但不如猴子难。没有人知道为什么有些物种比其他物种更难克隆。但是对小鼠的研究正在帮助确定这些差异,并最终应使研究人员能够更成功地获得人类胚胎干细胞,以治疗疾病和替换器官。
就治疗性克隆(也称为核移植)而言,迄今为止最引人注目的成就是首尔国立大学的黄禹锡。今年二月,他的实验室报告了如何将几个人类供体细胞的细胞核转移到 242 个已去除细胞核的卵子中。该批次产生了 30 个囊胚(胚胎发育的早期阶段),其中只有一个产生了一个自我更新的干细胞系。
黄禹锡的成就突显了与小鼠细胞相比,处理人类细胞的巨大技术难度。人类卵子很挑剔:它比小鼠卵子更大、更粘稠、更脆弱。“它就像一个气球而不是一个网球,”黄禹锡说,他没有采用标准的抽吸方法去除卵子的细胞核,而是轻轻地将其从一个小缝中挤出来。他发现,与小鼠的情况相比,人类 DNA 在卵子内重新编程所需的时间是小鼠的两倍,胚胎干细胞分裂的速度只有一半。哈佛大学费洛斯学会的凯文·埃根解释说,与小鼠的情况不同,研究人员必须从囊胚的外层(胎盘前)细胞层中取出人类胚胎干细胞的内细胞团,否则细胞就会停止分裂。
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其他障碍来自于缺乏经验。“我们不得不从头开始,打开每一扇门,”黄禹锡回忆道。由于没有更好的选择,他使用了一种用于培养牛胚胎干细胞的培养基衍生物。哈佛医学院的道格拉斯·梅尔顿解释说,获得人类胚胎干细胞的机会有限以及法律和伦理问题也减缓了进展。他提供了他从捐赠的胚胎中开发的 17 种新的胚胎干细胞系。梅尔顿建议,“起始材料”也可能有所不同。“在人类中,我们只使用冷冻胚胎,但在小鼠中,我们使用新鲜胚胎,”他谈到美国研究人员时说道。
其他难题涉及核移植的最佳供体细胞。细胞应该既容易获得又高效。黄禹锡使用了来自卵巢的卵丘细胞——不太容易获得,而且对男性来说是不可行的。
至于效率,研究表明,供体细胞越不成熟和未分化,效果就越好。怀特海生物医学研究所小鼠克隆领域的领先专家鲁道夫·杰尼施解释说,最有效——也是最难获得的——是胚胎干细胞。其次是相对不成熟但稀有且难以获得的体干细胞,然后是更容易获得但成熟的分化细胞,这些细胞构成组织。最困难和效率最低的极端是高度特化的免疫 B 细胞和 T 细胞,然后是不分裂的、高度特化的嗅觉感觉神经元,直到最近,它们还被认为基本上是不可克隆的。然而,今年二月,杰尼施、埃根和哥伦比亚大学的理查德·阿克塞尔成功地从嗅觉神经元中克隆出小鼠,这一壮举被誉为技术上的杰作。
现在研究人员需要找到比神经元更有效、比胚胎干细胞更实用的细胞。埃根说,对小鼠的实验表明,当卵子成熟可以受精并准备分裂时,核移植效果最好,如果移植的细胞核来自频繁分裂的细胞(如免疫细胞),则卵子更容易分裂。然而,如果供体细胞像神经元或体干细胞一样处于静止状态,胚胎干细胞更容易发展出自我更新的细胞系。诀窍是找到一种供体细胞,既能启动卵子分裂,又能产生永久的干细胞。
梅尔顿认为,这些技术难题只是核移植早期阶段的迹象。“几年后,这一切都会显得很容易,”他预测道。