体细胞核移植过程中，注入“供体细胞”还是“供体细胞核”？

时间：2020-11-27 10:46 | 栏目：第2节动物细胞工程 | 点击：次

动物细胞核移植是动物细胞工程的常用技术，其中包括胚胎细胞核移植技术、干细胞核移植技术、体细胞核移植技术。高中生物学选择性必修3《生物技术与工程》（2020年版）对细胞核移植技术作出如下概念界定：

动物细胞核移植技术是将动物一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中，使这个重新组合的细胞发育成新胚胎，继而发育成动物个体的技术。

关于这项技术，学生在初中阶段就有所接触。在济南版初中生物学八年级下册的“现代生物技术”专题里就谈到了克隆羊Dolly的培育过程。

图济南版初中生物学八年级下册教科书中Dolly的培育过程示意图

根据此配图和说明，在体细胞核移植的过程中，需从白脸绵羊的乳腺细胞中取出细胞核，再植入受体的去核卵细胞中。

在高中选择性必修3中呈现了克隆高产奶牛的例子。其中体细胞核移植流程图如下：

图人教版高中生物学选择性必修3中高产奶牛体细胞核移植流程图

比较两幅插图发现，高中教科书中表述，从供体取到体细胞后，直接“将供体细胞注入去核的卵母细胞”中，没有说明要取出供体细胞核。

这似乎与教科书前文的概念界定不一致。是教科书自相矛盾了吗？体细胞核移植过程中，到底向卵母细胞中注入“供体细胞”还是“供体细胞核”？

笔者带着疑惑请教了几位中学教师。

许多老师都是从“保证成功率”的角度解释的。细胞是一个完整的生命系统，保持供体细胞结构的完整性，才能够保证供体细胞核遗传物质的表达。也有老师认为，供体细胞质中或许存在其他与高产相关的基因，“不能浪费”。

事实到底是怎样的？我们不妨顺便回溯一下动物细胞核移植技术的历史。

1938年，德国胚胎学家Spemann提出胚胎细胞核移植（Somatic cell nuclear transfer, SCNT）这一构想，是指将动物胚胎细胞核通过显微操作注入到去核卵母细胞中，构成重构胚，经过融合、激活、体外培养等手段，最终获得与体细胞遗传物质一致的后代的技术。直到1952年，Briggs和Kings才获得两栖动物——非洲豹蛙的胚胎克隆后代。随后，科学家以两栖动物为开端，初步建立并发展了该项技术。

1962年，Gurdon首次以爪蟾幼体中完全分化的小肠上皮细胞为核供体克隆出爪蟾个体，虽然其克隆效率极低（约1.4%），但这项工作证明了已经分化的细胞核不仅表达该细胞分化方向的遗传信息，而且还包含发育成一个完整个体所需要的全部遗传物质。非洲爪蟾是有记载的第一例体细胞核移植动物。

从两栖动物水平迈向哺乳动物水平，研究人员又经历了艰难的探索。1997年，英国Roslin研究所的Keith Campbell和Ian Wilmut等5位研究者以白面母羊的乳腺细胞为核供体，以黑面母羊的卵母细胞为卵供体，在二者融合获得的重构胚中最终有一枚发育成克隆羊Dolly。自Dolly问世以后，奶牛、小鼠、山羊、猪等诸多哺乳动物水平的体细胞核移植成功案例如雨后春笋般相继报道出来。

回到主题，进行体细胞核移植的过程中，到底是怎么对核供体细胞进行处理，实现细胞核移植的呢？

这跟不同研究时期的技术水平有关，还跟选择的研究对象、实验材料有关。

体细胞核移植大概包括核供体细胞与受体细胞准备细胞核移植重构胚的融合、激活、培养和移植等过程。

在核移植操作中，细胞核供体细胞必须是完整的二倍体，且能够在受体细胞质的作用下，产生细胞分化过程的逆转（重编程）。供体细胞主要有两大类：胚胎卵裂球和体细胞。有相关研究表明，核供体细胞是核移植效率的关键影响因素之一。核供体细胞经过酶、磷酸盐缓冲溶液消化离心，并采用血清饥饿法、接触抑制法等进行同期化处理，即可得到处于相同分裂时期的分散的单个细胞。

常用的细胞核移植方法主要有两种，即细胞质内注射和透明带下注射。前者是用微型注射针将供体细胞的细胞核吸出，再注入到去核卵母细胞质内；后者是直接将供体细胞注入到去核卵母细胞透明带内，然后用病毒介导或者电脉冲等方式使两个细胞融合，因为这种方法操作简便，对卵母细胞损伤较小，现在较为常用。我国科学家于2017年底培育出的体细胞克隆猴“中中”和“华华”就是采用后者方法。

图克隆猴体细胞核移植程序（E、F为显微注射的过程）

图我国科学家培育出的克隆猴“中中”和“华华”

显微操作技术的发展有效提升了细胞核移植的成功率。在显微操作技术尚未发展起来时,人们已经开始尝试利用病毒介导胚胎与细胞的融合来实现核转移了，但因实验条件限制，需先将胚胎外层透明带去掉然后再跟细胞融合，该方法融合效率更低、融合后的胚胎发育更差。

细胞核移植后，就得到了重构胚。重构胚在培养和移植前首先要进行激活。激活重构胚的主要原理是通过人为诱导，以改变重构胚中的钙离子浓度，模拟精子进入卵母细胞时所诱发的钙离子浓度变化，目前通常采用电刺激或离子霉素等化学试剂法。激活重构胚后，对重构胚进行培养并移植，还要进一步进行表观遗传学修饰（实验对象不同，操作程序也不同，例如，培育克隆猴时，是先用调节表观遗传修饰的试剂处理后，再进行重构胚移植的）……总之，体细胞克隆胚胎的发育效率极低，在于整个过程中的高度复杂性，任何一个环节出现失误，都将导致失败。

那么，在进行体细胞核移植的时候，到底要不要专门把供体细胞的细胞核取出来呢？

笔者翻读了不少文献，以及关于细胞工程的教材，发现教材中一般在操作步骤中有“从供体细胞取出细胞核，再移入受体细胞”的操作说明，而在大量的实验文献中则时常省略该步骤，直接将供体细胞注入去核卵母细胞中。

图某版本《细胞工程》教材关于核移植的实验操作

图某硕博论文关于核移植的实验操作

笔者进一步联系了从事细胞工程研究的专业人员解答困惑。得到的回复是，“具体实验具体分析”。就目前的研究经验来看，不取出细胞核、直接注射供体细胞的原因是，在确保供体细胞质对重构胚的发育影响不大的前提下，可以简化操作、减少对卵母细胞的损伤，以提高成功率。

这样看来，高产奶牛的体细胞核移植实验操作就得到比较合理的解释了，而高中教科书关于“细胞核移植技术”的概念界定也并无不妥——不管有无“取出”操作，供体细胞核仍是移植目标，细胞核移植仍是将一个细胞的细胞核移入去核的卵母细胞中。

或许，在研究人员看来，有无“取出”这步操作并非是影响成功率的关键因素。相比这一步操作，在细胞核移植的过程中，对受体卵母细胞去核的操作更为关键：去核时间过长，环境中温度、湿度的变化，会对脆弱的卵母细胞产生影响；去核不完全，则会导致克隆胚胎染色体倍数异常，从而导致克隆胚胎发育异常；去核时丢失过多的卵胞质，又可能会由于卵胞质体积过小，无法提供足够的母源mRNA和蛋白质，导致核重编程效率下降，甚至是重构胚的死亡……目前，如何快速、高效、完全的将卵母细胞核去除，也是该项技术的研究热点。

当然，关于卵母细胞核去除技术，我国科学家也一直在进行着艰辛的探索。从60年前童第周先生自己设计简陋的显微注射器获得成功，到偏振光去核技术在克隆猴实验中的应用……我国科学家在体细胞核移植技术方面，实现了从跟跑到领跑的历史性跨越，十分值得自豪。

图童第周先生在1963年鱼类细胞核移植实验中使用的微量注射器

总之，生物学是一门复杂性科学，复杂性是生命系统的固有属性，不确定性、概率性等是生命复杂系统的重要特点。Ernst Mayr在The Growth of Biological Thought一书中写到：生物学中的概括几乎完全是几率性的，生物学只有一条普遍定律，那就是一切生物学定律都有例外。因此，生物学的学习不能以片面、孤立的观点看待问题，要树立对立统一、普遍联系的唯物辩证思想。

最后，至于前文中有老师提到的“供体细胞质中或许存在其他与高产相关的基因”这一观点成立的可能性就极低了。毕竟，动物细胞质中编码的基因主要存在于线粒体中，且仅有少量的基因片段可表达，这些基因大都与线粒体内的氧化磷酸化有关。那么，核移植后的细胞质中或同时存在供体细胞和受体细胞的线粒体，这些来源不同的线粒体对重构胚的早期发育会有什么影响呢？

参考文献：

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