APP下载

勇闯孤岛,试错5年体细胞克隆猴终成功

2021-07-22

科学大观园 2021年14期
关键词:细胞核体细胞灵长类

克隆猴“中中”和“华华”。图片|国际在线

自1997年“多莉羊”体细胞克隆成功后,已有超过20种哺乳动物的克隆相继实现。不过,真正让世界顶尖科研团队紧紧盯住的目标始终只有一个——猴。由于灵长类的进化与人类非常接近,克隆猴对认识人类的大脑、脑认知功能和脑疾病有巨大的潜在应用价值。

21世纪初,美国匹兹堡大学的科研人员在《科学》上发文称,用体细胞克隆非人灵长类动物的理想是不可能实现的。俄勒冈大学教授米塔利波夫立马撰文反驳道,科学家更应该从人迹罕至的科学道路上发现不寻常的风景。但在尝试了15000枚猴卵细胞后,他制备的克隆猴最终在怀孕81天后流产,而这已是当时该领域取得的最好成绩。

然而,看似不可能的克隆猴任务最终被中国团队完成了。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)孙强研究员率领以刘真为主的团队,经过5年的不懈努力,在国际上首次实现了非人灵长类动物的体细胞克隆。

2017年11月27日,首只体细胞克隆猴“中中”在神经科学研究所的非人灵长类平台诞生;12月5日,第二只克隆猴“华华”诞生。该成果标志着中国率先开启了以体细胞克隆猴作为实验动物模型的新时代,并实现了在非人灵长类研究领域由国际“并跑”到“领跑”的转变。那么,这个里程碑式的转变背后有什么故事?

孤岛建猴场,条件艰苦

早在2001年,国外就拥有了转基因猴,而当时中国不仅没有转基因猴,连试管猴也未见报道。

为了完成转基因猴项目,孙强在博士毕业后,没有选择去国外做博士后,而是在2004年去往西双版纳的山上养殖场,开展猴生殖生理和转基因猴构建的研究。当时,他的妻子、孩子都在扬州,而他两个月才能回一次家,这样的日子维持了将近4年。

经过近4年的努力,试管猴项目成功,但转基因猴项目依旧前景黯淡,孙强碍于现实困境不得不考虑转变研究方向。恰逢2008年,中国科学院神经科学研究所所长蒲慕明提出:要开展以非人灵长类为主要模式动物的研究,并着手筹建非人灵长类研究平台。更幸运的是,蒲慕明感受到了孙强内心从事非人灵长类研究的强烈科研欲望,决定把建设研究平台的重任交给他。

蒲慕明的决定意味着,我国要准备攻克克隆猴技术这道领域内公认的难题。当时,中国的神经科学研究刚走出一穷二白的局面,花大量经费攻坚克隆猴技术被认为是拿科研经费开玩笑。不过,蒲慕明自有想法。他相信中国的神经科学研究能领跑世界,而非人灵长类研究就是实现弯道超车的关键所在。

2009年,中国科学院神经科学研究所顺利建立了非人灵长类研究平台,孙强担任负责人。考虑到从头建设非人灵长类设施需要花费数年时间,孙强又一次选择了一个远离家乡的地方——位于江苏苏州太湖中一个小岛上的猴场,以实现尽快起步。在岛上最初的交通工具是自行车和电瓶车,若要出岛,研究人员必须乘坐公交经过60站,耗费大约2小时车程,才能抵达火车站。

早期岛上没有食堂,吃饭也是需要解决的问题,研究所给每个宿舍都配备了厨房,大家轮流买菜做饭,到了节假日还组织一些集体聚餐,这样既解决了生活上的问题,又增进了同事之间的感情。在工作中,实验室就是全体团队成员的家。由于比较潮湿,实验室一楼的墙壁发黄甚至发霉,团队便自发组织,利用空闲时间粉刷墙壁和天花板,美化家园。

2010年国庆假期的一个雨夜,在从基地返回宿舍没有路灯的路上骑行时,孙强摔断了锁骨。但当时正是实验的关键节点,孙强只好悬着胳膊继续干了一个星期。等他实验做完再去医治的时候,医生发现摔断的锁骨已错位,不得不重新切断后再接上。

也正是这一年,22岁的刘真成为平台招收的首名硕士研究生,师从孙强。“来到研究所后,我才开始接触非人灵长类研究,并在非人灵长类研究平台逐步加深对这个领域的了解。”刘真说。年轻的他不问世事,在这个偏僻的小岛上一待就是8年多。

孙强认为,他们是团队中“最美”的人。从上岛开始,兽医们平均每月治疗36只病猴;每年总共观察母猴月经58400次,并给每只猴子建立月经档案;给母猴注射超排药物5848次……

这样的付出是值得的,2011年,孙强率领的团队成功得到了世界上首批携带人类自闭症基因的猴模型;随后,又成功开发了实验猴成熟加速技术,将食蟹猴的繁殖周期从5年以上缩短到2.5年;他们还建立了基于分子核酸酶的基因编辑猴模型构建技术。这些工作对整个中国的非人灵长类研究起到了推动作用。

但是,上述方法构建的模型猴仍然存在首建动物嵌合、脱靶和遗传背景不均一等问题。2012年,孙强毅然接下了攻克非人灵长类体细胞克隆技术的重任,试图解决上述问题。自此,体细胞克隆猴任务正式拉开序幕。

然而,岛上恶劣的自然环境依旧是个大问题,它险些让全体人员的努力付诸东流。由于平台的猴子平时在室温下培养,每每低温或酷暑之时,大家都提心吊胆,对猴子异常关注。2016年的一个周末,洪水泛滥,下午两点,水位已经十分危险,基地只能出人不能进人。神经所每个小时都与岛上的研究人员联系,领导担心人员安全,对团队下令:“仪器、猴子不用管了,你们赶快撤。”

对于领导恳切的命令,孙强没有执行。他让女性成员全部撤离,男性成员原地待命,看顾实验猴。幸运的是,实验人员、仪器和猴子最终都没有遭受实质性损伤。正是这种国家利益大于个人利益的精神,使团队最终取得了重大突破。

试错5年,协同作战

20多年来,体细胞克隆猴曾让国际上多个顶级实验室铩羽而歸,连世界公认的克隆专家米塔利波夫都以失败告终。国际上一度悲观地认为体细胞克隆猴不可能成功。尽管如此,孙强团队还是冒着很可能失败或很长时间没有成果的风险,开始了体细胞克隆技术的攻关。体细胞克隆猴实验做了5年,他的团队也失败了5年。孙强在不断鼓励团队的同时,也不忘深刻反思攻关方式。

在体细胞克隆猴技术具体操作上,主要有两大难点。第一是拿掉细胞核的时候不能抽掉周围太多营养物质,否则细胞就会停止发育。为最大限度减少对体细胞核及卵母细胞的损害,卵母细胞的去核以及将体细胞核注入卵母细胞的过程必须既快又好。但当时的操作技术还很不完善。第二,移植到卵细胞中的是成熟的、只表达某些特定基因的体细胞细胞核,研究人员需要想办法让它重新变成一个未分化的全能胚胎细胞。

由于猴子细胞不透明,在显微镜下看不到细胞核,只有通过偏振光才能使细胞核显示。这也意味着,研究人员必须注视着显微镜,在一闪一闪的偏振光下,操纵直径10微米左右的极细针头在细胞里吸取、注射,并尽可能减小对细胞的损伤,其难度远大于操纵绣花针。

为了更好地对猴的卵细胞进行去核操作,刘真首先使用小鼠的卵母细胞进行常规的去核练习。当熟练掌握去核操作后,刘真再使用废弃的猴卵细胞进行练习,最后才用优质的猴卵细胞进行去核练习。而熟练掌握猴的卵母细胞核移植操作,一般需要约两年时间。大量训练后,刘真最终实现了在10秒内完成一次全套精準操作。操作速度的提升为研究团队打通了体细胞克隆猴实验中的重要一关。“如果没有刘真的巧手,克隆猴可能成功不了。”这是孙强对刘真的肯定。

在核基因组启动前,体细胞核要经历一个回复到早期胚胎核状态的过程,也就是“重编程”。只有将这个过程控制好,才能提高体细胞胚胎的发育率。在尝试各种调控方法效果均不理想后,2014年,研究团队终于从一篇报道中找到一种新的酶处理方法,并用它将囊胚率提升到45%,优质胚胎率提高到29%。最终,他们用127枚卵母细胞,做出了109个重构胚胎,对21只猴子受体进行移植,获得6只怀孕受体。2017年,其中两只顺利出生。

为便于论文发表,蒲慕明给这两只宝贵的克隆猴起名“中中”“华华”,意为“中华”,并迅速得到了研究团队的一致认可。虽然起名只有几分钟,但中华复兴梦在大家心里已经藏了很久。最终,相关研究论文发表在《细胞》杂志上,刘真是第一作者。

孙强在回忆这5年的艰辛历程时感慨道,世界前沿难题的突破需要精干高效的攻关团队。“‘志同道合是让我们能在一起拼搏的关键。作为‘队长的我,必须与团队同甘共苦,而不是发号施令的‘老板,我和大家一起生活在基地,同吃同住。对新手,我会手把手地从零开始教,让他们快速成长。”大多团队成员经过这次大胆的探索之旅后,都成为了“身怀绝技”的顶尖人才,比如刘真,现在已经是神经科学研究所的博士生导师。

团队成员共21人,大多数人并没有光鲜夺目的背景,甚至有12人是只有大专学历的兽医。但孙强认为,他们是团队中“最美”的人。从上岛开始,兽医们平均每月治疗36只病猴;每年总共观察母猴月经58400次,并给每只猴子建立月经档案;给母猴注射超排药物5848次;由于80%孕猴分娩在晚上,他们必须轮流值夜班;由于剖腹产母猴不愿带小猴,他们还得每隔两三小时给小猴喂奶……“中中”“华华”就是由兽医王燕接生的,她的名字也出现在了这篇世界驰名的论文的第三作者位置上。

其实,在团队中,哪怕是一个电焊工,所起的作用也不可小觑。孙强说,猴子生性好动,喜欢扒笼子,猴笼经常被损坏,但厂家维修往往要拖延个几天,没有电焊工及时修理,经常会有实验猴逃脱到野外。“有了电焊工,我们就不用三天两头满山抓猴子了!”

正是由于大家的“协同作战”,团队在日复一日地尝试、突破、遇挫中一点点前进,最终拨云见日,走向成功。

◎ 来源|综合中国经济周刊、文汇报

猜你喜欢

细胞核体细胞灵长类
指向科学思维的“细胞核的结构与功能”教学设计
灵长类表情包
首个体细胞克隆猴在我国诞生
“细胞核—系统的控制中心”一节的教学设计
牛乳铁蛋白肽对隐性乳房炎奶牛产奶量、体细胞及乳成分的影响
体细胞核移植技术的研究进展
母系遗传对有氧耐力运动项目运动员选拔的影响
中国灵长类动物一览表
为什么人们都说猴子聪明?
高中生物必修模块一“细胞核