胚胎发育过程是核质之间、细胞与细胞及细胞与胞外基质按严格的时空秩序相互作用的结果。从全能或多能胚胎干细胞分化为具有独特功能的体细胞，完全取决于基因在时间与地点上的选择性表达。对细胞分化和发育来说，最重要的不是个别基因的表达，而是整个基因网络在时间和空间上的紧密联系和配合。组成包括人体在内的高等动物机体的亿万个细胞，都是由一个受精卵发育而来的。像胚胎干细胞一样，分化了的体细胞仍然具有一整套完整的遗传信息。过去人们认为，细胞的分化程度越高，它指导早期胚胎发育成新个体的能力就越低，高度分化的体细胞甚至完全不具备这种能力。近几年体细胞动物克隆技术上取得的突破，不仅给人们的观念带来了很大的改变，而且由于它所蕴藏的商业和社会价值，在全世界引起了轰动。
1. 动物克隆的理论基础
在许多人眼里，体细胞克隆羊多莉 (Dolly) 的诞生是克隆技术的开始。其实不然。“克隆 (clone)”一词来源于希腊语，原意是用于扦插的枝条，也就是指无性繁殖。克隆在植物界的应用已有上千年的历史，理论上的突破则是本世纪的事。1902 年德国植物学家 Haberlandt指出，植物的体细胞具有母体全部的遗传信息，并具有发育成为完整个体的潜能，因而每个植物细胞都可像胚胎细胞那样，经离体培养再生成为完整植株。这就是所谓的细胞全能性。许多科学家为证实植物细胞的全能性作出了不懈的努力。1958 年，Steward成功地将一个胡萝卜细胞试管培养，长成了一株具有根、茎、叶等器官的完整植株。1964年Guha 和 Maheshwari利用毛叶曼陀罗的花药培育出单倍体植株。这样，植物细胞全能性获得了充分的论证。建立在此基础上的组织培养技术也得到迅速发展。
与植物细胞不同，在动物发育过程中分化了的细胞不能再产生完整的充分分化的个体。然而，动物胚胎的生长、分化和发育是否造成体细胞基因组的不可逆性修饰，即在发育过程中分化了的细胞是否具有与受精卵相同的核等价性 (nuclear equivalency) 或基因组连续性，一直是发育生物学要解决的问题。早在30 年代，著名的胚胎学家 Spemann 就已经提出“分化了的细胞核移入卵子中能否指导胚胎发育”这样的设想。用两栖类动物进行的一些克隆实验表明，早期胚胎细胞核经移植可产生成熟的动物个体，而从蝌蚪及成体动物细胞中取出的细胞核经移植生成的克隆动物最晚只能发育至蝌蚪期。胚胎分割及胚胎细胞核移植克隆动物已在许多物种中获得了成功。体细胞克隆绵羊[1]、小鼠[2,3]、牛[4,5] 及山羊[6]的成功，证明高度分化的细胞核仍具有全能性。
2. 体细胞克隆羊及小鼠实验成功分析
克隆羊Dolly 是世界上第一只由成体细胞通过无性过程产生的哺乳动物。在Dolly 诞生后的一年多时间里，全世界掀起了一股克隆热，并引起了一些激烈的争论和对Dolly身份的质疑。1998 年7 月出版的《Nature》报道两个独立的研究小组分别对Dolly 的血样、供体母羊冷冻组织及其细胞培养物进行卫星DNA 分析和DNA指纹分析，确认三者的一致性，证明Dolly 确实是体细胞克隆动物。在同期《Nature》上，美国夏威夷大学Wakayama 等人报道，由小鼠卵丘细胞 (cumulus cells) 克隆了27 只存活小鼠，其中7只是由克隆小鼠再次克隆的后代。
两栖类和哺乳类核移植实验发现，经核移植的卵母细胞不能正常发育的一个关键问题是供体核和受体卵母细胞之间的细胞周期不相容性。Wilmut 等的成功之处就在于他们找到了一种使供体核和受体卵母细胞更相容的方法。他们通过血清饥饿法使供体核细胞处于二倍体的G0 期，这样处理的供体核在DNA复制的时间上就与处于中期II的受体卵母细胞同步。从建立正确的染色体倍性 (ploidy) 这个角度来看，供体核处于G1 期也可以获得克隆动物。稳定表达b -半乳糖苷酶-新霉素基因的胎儿成纤维细胞作核供体，获得克隆牛证明了这一点[7]。
人们一般认为，供体核和卵母细胞组成的重组胚胎的发育过程与正常状况受精卵相仿。 羊胚胎基因组的转录一直到8～16个细胞才开始，这种转录时间的差异在理论上将允许胚胎有充裕的时间对植入的成体羊细胞核进行重新编程，使其进入胚胎发育期。由于不同的物种胚胎转录的起始时间各异，所以克隆的难易也不同。以往的研究发现，在小鼠的克隆过程中，基因组很早就被激活，移植的细胞核没有足够的时间进行重新编程。因此，许多研究者认为小鼠是最难克隆的动物之一。
Wakayama 等人的工作改变了这种观点。与Wilmut 等的方法相比，Wakayama 等采用了一种新的、相对简单的克隆技术。Dolly 是采用母羊的乳腺组织细胞经过“饥饿“ 培养，与去核的卵细胞进行电融合，促使融合细胞中遗传物质的重编程 (reprogramming), 然后逐步发育成胚胎。克隆小鼠采用核移植的方法，将自然状态下处于G0 期的卵丘细胞作核供体，直接注入去核的卵细胞。小鼠克隆过程中核移植后的重组胚胎放置0～6 小时后再激活，也有异于Wilmut 等用电刺激法同时融合重组胚胎和激活胚胎。Dolly 的产生过程中遗传物质的重编程和卵细胞的激活是电刺激法，而小鼠的克隆则采用在培养基中添加锶离子 (Sr2+) 和细胞松弛素B 的化学方法激活重组胚胎。
3. 动物克隆技术的应用
动物克隆近几年取得的一些突破性进展，为动物发育过程中基因表达的调控及发育生物学、遗传学等相关学科的发展必将产生深远的影响。虽然目前这种方法尚不成熟，但它已显示出诱人的应用前景。
动物克隆技术将首先应用于医药领域。利用体细胞供体经核移植生产转基因动物，可望降低生产成本。到目前为止，产生转基因动物的方法仍主要是1985 年Hammer 等建立的原核显微注射法。但是，这种方法只能使大约5％的动物携带外源基因。外源基因整合入动物基因组是个随机的过程，这导致外源基因在许多转基因动物系中的表达量不够高，而且因整合进生殖细胞的机率低而难以遗传给下一代。Schnieke 等发现，利用体细胞克隆技术生产含人凝血因子 IX 的转基因羊比原核显微注射法要有效得多[8]。其中，两者最显著的差异是体细胞克隆中的受体母羊全都携带外源基因，而原核显微注射法会产生许多不带外源基因的羊羔。这是由于，原核微注射法中所用胚胎在体外培养的时间较短，在此期间被检测为阳性的转基因可能会在以后的发育过程中丢失。用作核移植供体的细胞在体外培养的时间则较长，有较多的检测机会。另外，显微注射法制备的转基因动物的性别只有等到动物出生后才能得知, 而核移植可以通过鉴别核供体的核型而预先得知转基因动物的性别，可选择性地制备雌性的转基因动物, 有利于在母乳中表达外源基因。
克隆技术除了可以生产各种医用人体蛋白外，对人类的细胞和组织治疗也大有好处。利用克隆技术，可以用患者本人细胞培育出新组织，用来治疗糖尿病、帕金森氏症、神经损伤等多种疾病。用这种方法培育出的组织具有与患者正常组织完全相同的基因构成，因此不会产生免疫排斥反应。但是这些都涉及到克隆人这个敏感话题，目前克隆人在许多国家是法律禁止的。随着人类胚胎干细胞培养技术的完善，目前已有两家美国公司开始研究利用克隆技术培育人胚胎，希望大批量生产治疗疾病的干细胞。事实上，几年前人们就曾把人胎儿神经组织用来治疗帕金森氏症。考虑到伦理上的原因，人们也可以用克隆动物的胚胎干细胞作异源移植，以解决人类移植器官供求矛盾。
动物克隆技术还有助于加速动物育种的进程。利用优良动物品种的体细胞作核供体克隆动物，可以避免自然条件下选种所受到的动物生育周期和生育效率的限制，从而大大缩短育种年限，提高育种效率。动物克隆技术用于拯救濒危动物也受到广泛的关注。中国科学院动物研究所陈大元研究员提出用动物克隆技术拯救大熊猫的计划，在国内外均引起一定的反响。
4. 动物克隆技术的不足及未来发展方向
动物克隆技术虽然取得了一定的进展，在生物医药领域也得到了初步应用。但是，该技术目前还很不完善。存活率低是当今核移植技术的最大缺陷。它突出表现为：孕期流产率高，围产期死亡率高，新生儿体重较重及产生后对环境的适应性较差。以成体细胞核作核供体问题更为严重。最近，Shiels 等报道克隆羊的端粒较同年羊短[9]。Renard 等报道，体细胞核移植可能影响克隆动物免疫系统的正常发育[10]。他们用胚胎细胞克隆牛的耳细胞通过核移植克隆出一头牛。牛犊看起来很健康，但出生一个半月后，它体内的淋巴细胞和红血球急剧减少，不久就死于贫血。尸体解剖发现，该牛犊脾脏、胸腺和淋巴结等淋巴组织都没有得到正常发育。
导致动物克隆存活率低和异常发育的原因很多，缺乏基础理论支撑是其中之一。动物克隆技术的不断完善，还需要分子遗传学、细胞学、发育生物学等相关基础学科的进一步研究和发展。迄今为止，人们虽然在动物克隆过程中已经积累了不少数据，但一些很基本的问题仍亟需解决。
基因组重新编程的机制尚不清楚。人们虽然观测到核移植后细胞核的激活与早期胚胎原核发育类似，但较详细的信息仍不甚明了。其中，成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF)、核膜破裂(nuclear envelope breakdown，NEBD) 和早熟染色体凝集 (premature chromosome condensation, PCC) 在基因组重编过程中的作用还需明确。
基因印记 (imprinting) 对核移植后基因组重新编程的影响。基因印记现象在哺乳动物的发育过程中普遍存在，它是指基因的表达与否取决于它们是在父源染色体上还是母源染色体上。有些印记基因只从母源染色体上表达，而有些则只从父源染色体上表达。基因印记与动物克隆技术的成功及不足有何关系值得深入研究。
动物克隆种属及细胞差异的原因。克隆不同种属的动物难易有别，其中的原因目前人们还不清楚。目前可以用作体细胞核移植核供体的细胞类型还较少。Wakayama 等用处于 G0/G1期的卵丘细胞克隆得到小鼠，而他们采用处于G0 期的足细胞 、神经细胞作核供体进行的克隆实验均未获得成活个体，这显示供体核处于G0 期并非保证胚胎发育的充分条件。Dominko等发现去核的牛卵细胞能使来自羊、猴、鼠、猪等不同种属的细胞核激活，并在体外发育为相应的胚胎，但目前还没有一个可继续发育为完整的动物个体。如果这项工作能成功，将十分有利于濒危动物的保护。
动物克隆技术条件的优化还没有解决。如核供体和卵细胞的选材、核质比的选择、重组胚胎的激活方式、是否需要作连续核移植等。
综上所述，动物克隆研究已在理论基础、技术优化及实际应用等方面取得很大的进展。但该技术目前还很不完善，相关理论研究还很薄弱，人们要提高动物克隆的成功率还需不懈的努力。另外，克隆动物与正常胚胎的发育有何异同，也值得深入研究。这些问题的解决，将有助于加深人们对动物胚胎发育过程中分子机制的认识。
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