哺乳動(dòng)物能否“無(wú)限克隆”？1200只小鼠給出回答

圖源：Unsplash / Joshua J. Cotten

導(dǎo)讀：

20多年前，科學(xué)家開(kāi)始嘗試復(fù)制一只動(dòng)物。今天，這一嘗試在第58代停止。

20年，超過(guò)3萬(wàn)次克隆嘗試，1200多只小鼠。這個(gè)規(guī)模空前的實(shí)驗(yàn)，最終在第58代戛然而止。

3月24日，《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，一個(gè)完全由克隆構(gòu)建的小鼠譜系，在傳至第58代時(shí)全部死亡。此前一代（第57代）中存活率已下降至0.6%，而再往前，這些小鼠外表正常、壽命接近自然個(gè)體，幾乎看不出異常。[1]

這項(xiàng)研究主要由日本生殖生物學(xué)家若山照彥（Teruhiko Wakayama）領(lǐng)導(dǎo)。二十多年前，他曾親手推動(dòng)小鼠克隆技術(shù)走向成熟；如今，他的團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)明確的結(jié)論：哺乳動(dòng)物的克隆并不能無(wú)限延續(xù)。

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“可以無(wú)限克隆嗎？”

時(shí)間回到2013年。

在一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞-干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）的研究中，若山團(tuán)隊(duì)成功將同一只小鼠連續(xù)克隆了25代，并獲得了500多只個(gè)體。[2]

在這一過(guò)程中，克隆效率沒(méi)有系統(tǒng)性下降，小鼠體重、壽命均在正常范圍，且未觀察到明顯的遺傳或表觀遺傳異常積累。在完成這第25代克隆后，若山團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：“動(dòng)物克隆或許可以無(wú)限進(jìn)行下去”（it may be possible to reclone animals indefinitely）。

在一次實(shí)驗(yàn)中誕生的九只第20代克隆幼崽（棕色毛發(fā)）圖源[2]

理論上，如果DNA異常不發(fā)生，表觀遺傳錯(cuò)誤也不累積，哺乳動(dòng)物應(yīng)該能夠通過(guò)克隆來(lái)維持物種。

無(wú)限克隆的愿望并非空想，而是建立在一系列技術(shù)突破之上。在若山及同行的研究中，克隆的材料來(lái)源也在不斷拓展：從活體組織到冷凍尸體，再到凍干細(xì)胞，甚至包括尿液中的細(xì)胞。

2008年，他們從在?20°C冷凍長(zhǎng)達(dá)16年的小鼠尸體中提取細(xì)胞核，成功獲得健康的克隆個(gè)體。這些樣本沒(méi)有任何冷凍保護(hù)，所有細(xì)胞在解凍后均已死亡，但其基因仍可被重新激活。[3]

-20℃下冷凍16年的小鼠（上）及其克隆小鼠（下）圖源[3]

2022年，若山團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)一步表明，即使是凍干處理后的體細(xì)胞，在細(xì)胞全部死亡、DNA損傷顯著增加的情況下，仍然可以通過(guò)核移植獲得克隆胚胎，并最終產(chǎn)生健康、可繁殖的小鼠。盡管總體成功率僅約0.02%，但這一結(jié)果說(shuō)明，基因信息在極端條件下仍具有一定的“可恢復(fù)性”。[4]

克隆生物的歷史可以追溯到更早。

1997年，克隆羊“多莉”誕生，首次證明了哺乳動(dòng)物可以由體細(xì)胞復(fù)制而來(lái)。次年，來(lái)自美國(guó)、日本、意大利和英國(guó)的研究人員已經(jīng)利用成年動(dòng)物的體細(xì)胞核成功獲得了多只健康、可繁殖的雌性小鼠。這標(biāo)志著克隆技術(shù)從個(gè)體突破并走向可重復(fù)操作。[5]

1998年，在夏威夷大學(xué)Ryuzo Yanagimachi實(shí)驗(yàn)室工作期間，若山照彥利用體細(xì)胞核移植技術(shù)成功克隆出多只小鼠，并建立了一套更穩(wěn)定、可重復(fù)的操作方法。這一方法后來(lái)被稱為“檀香山技術(shù)”（Honolulu technique），成為多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)流程。[6]

克隆的基本原理并不復(fù)雜：將一個(gè)體細(xì)胞的細(xì)胞核移入一個(gè)去核的卵細(xì)胞中，在適當(dāng)條件下激活使其發(fā)育為胚胎，再植入代孕母體。

理論上，這一過(guò)程可以一再重復(fù)：用克隆體作為供體，再進(jìn)行下一代額克隆。

但問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)。盡管克隆小鼠在外觀和壽命上往往表現(xiàn)正常，但若山團(tuán)隊(duì)注意到一些異常信號(hào)：例如，克隆動(dòng)物常出現(xiàn)胎盤(pán)增大等發(fā)育異常；克隆成功率長(zhǎng)期維持在較低水平（通常為百分之幾）；在部分實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)染色體缺失等問(wèn)題。[2,4]

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崩潰的第58代

研究顯示，前25代小鼠均未出現(xiàn)任何異常，但隨后基因突變開(kāi)始累積。從第27代開(kāi)始，克隆成功率開(kāi)始下降；到了第57代，僅有0.6%的個(gè)體能夠存活；而第58代克隆小鼠則全部在出生后不久死亡，且沒(méi)有明顯的外部異常。

從一只小鼠出發(fā)，經(jīng)過(guò)20年、超過(guò)3萬(wàn)次克隆嘗試，累計(jì)獲得1200多只克隆小鼠——這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終在第58代終止。

為什么“無(wú)限克隆”會(huì)失敗？

研究從分子層面給出了直接解釋：在連續(xù)克隆過(guò)程中，小鼠基因組中的突變會(huì)加速積累，不僅包括點(diǎn)突變，還包括大片段缺失，甚至整條染色體的丟失。而克隆并不存在有性生殖中的基因重組與篩選機(jī)制，這些損傷一旦產(chǎn)生，便會(huì)在后續(xù)代際中被不斷復(fù)制和疊加。第58代克隆小鼠的基因組中，突變數(shù)量約為正常有性繁殖個(gè)體的三倍。研究者將這一過(guò)程描述為：突變崩潰（mutational meltdown）。[1]

若山團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一結(jié)果可以用Muller’s ratchet（穆勒的棘輪）這一經(jīng)典理論來(lái)解釋，即在無(wú)性繁殖譜系中有害突變不可避免地會(huì)積累，并最終導(dǎo)致突變崩潰和滅絕。

從1998年建立穩(wěn)定的小鼠克隆方法，到2013年提出“或許可以無(wú)限克隆”，再到2026年確認(rèn)存在明確極限，若山團(tuán)隊(duì)的研究路徑幾乎完整詮釋了這一過(guò)程。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直不清楚哺乳動(dòng)物是否像植物和一些低等動(dòng)物一樣，能夠僅通過(guò)克隆繁殖來(lái)維持物種的延續(xù)。至此，無(wú)限克隆從有實(shí)驗(yàn)支持的推測(cè)變成了一個(gè)被否定的命題。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-026-69765-7

[2] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(13)00008-8?

[3] https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.0806166105

[4] https://www.nature.com/articles/s41467-022-31216-4

[5] https://www.nature.com/articles/news980730-1

[6] https://futureofscience.org/veniceconference2005/speakers/wakayamat.htm

來(lái)源：賽先生

編輯：ThymolBlue

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