发育

什么是人生的最关键时刻?比如对于学生来说，考上大学是非常关键的时刻，毕业以后找到合适的工作，或是出国留学也是非常关键的时刻；但是从发育生物学的角度看，最关键的时刻是当精和卵结合形成受精卵，到怀孕后第7—12天的时候即最关键的原化阶段。

发育是生命科学的重要问题。发育最开始是从父亲提供“半个”细胞，母亲提供“半个”细胞(实际是各提供1个性细胞)开始的。从遗传的组成来讲，当这两个“半个”细胞合起来的时候，形成一个新的细胞，我们叫它受精卵，然后受精卵产生分裂，一分二、二分四，这样连续地分裂下去。现在我提一个问题，实际上这也不是我个人提出的问题，即什么是人生的最关键时刻?比如对于学生来说，考上大学是非常关键的时刻，毕业以后找到合适的工作，或是出国留学也是非常关键的时刻。但是从发育生物学的角度看，什么是人生的关键时刻?出生，并不是最关键的时刻，结婚，组织一个家庭也不是关键的时刻，最后举行一个隆重的葬礼，更不重要，因为这时人已经不存在了。然而最关键的时刻在这里，当精和卵结合形成受精卵，到怀孕后第7—12天的时候即最关键的原化阶段，也叫原肠化阶段。为什么最关键呢?我想引用童第周教授常说的话，即究竟是什么决定了我们的眼睛长在头上，我们的手长在胳膊上，胳膊长在肩膀上，而腿长在下面?是什么决定的?这种形态建成的决定，实际上是在原肠化的阶段。这是非常关键的时刻，如果在这个时刻稍微有点错位，基因的表达或是细胞的运动稍微有些错位，就会出乱子。原肠化实际是细胞不断分化和定位的过程，发生在人胚发育第7—12天。这时的细胞分化和运动，就像开瓶的啤酒一样，从上往下运动，并向里面卷，最后形成中间的空洞，这个过程就是原肠化。在这个原肠化完成的时候，将来眼睛长在什么地方，手长在什么地方，脚长在什么地方，都在这个时候决定下来。细胞和发育应该是整个生命科学的核心和纽带。在此基础上，一个改造生物体的时代已经到来。问题的焦点是生物体可不可以被改造?应不应该改造?无神论者的回答是肯定的。在此基础上，也可以给生物技术下个最朴实的定义，生物技术就是对生命有机体进行改造、加工和利用的技术。

克隆和转基因

第一阶段是美国人的研究，第二阶段是英国人的研究，第三阶段则是咱们中国人的研究。1981年中国科学院水生生物研究所用肾脏细胞克隆了一条鱼，这在科学发展中是一件很重要的事情，很可惜，当时没有得到更多的认可，直到1997年克隆羊“多利”出来的时候才掀起一场轩然大波。

什么叫克隆呢?尽管新闻媒体每天都这么说，但每个人对“克隆”的理解似乎不尽一致。有一个简明的定义，即克隆就是通过非有性的过程复制的个体，不通过性结合繁殖的后代。动物克隆的基本技术是细胞核移植，即把一个个体的细胞核移植到另一个个体去掉细胞核的卵里去，这样来发育和形成新的有机体。例如一个青蛙的卵，经紫外线照射，把它的细胞核杀死，然后从另外一个胚胎取一个细胞核，通过显微注射技术将其放到已经去掉了细胞核的卵子里边去，让这个重组卵发育。有些重组卵的发育中途终止，没有完成原肠化，有些发育成了蝌蚪，并最后发育成为青蛙。这里研究的问题是外来的细胞核与卵细胞质是如何相互作用与相互配合的。在重组卵里，外来的细胞核被重新编排其发育的程序。因为在核移植前，它原来已经程序化了，有它的发育方向。现在把它放到新的卵子里面去，其发育途径重新开始，这叫做移入细胞核的去分化和再程序化。

下面回顾一下克隆的历史。首先是用青蛙做的实验。从20世纪40年代中期到50年代初期，有两个年轻的美国人做了一个非常漂亮的实验，得到了细胞核移植的青蛙，现在叫克隆蛙。当他们用早期发育的细胞进行核移植时，可以得到青蛙；但是，当用发育到原肠胚以后的细胞进行核移植时，胚胎就发育不下去，得不到蝌蚪，更不可能得到青蛙。于是，他们认为发育到原肠化阶段以后的细胞的命运已经被固定下来，将来形成眼睛或耳朵等，不可能再逆转。所以他们认为分化了的细胞核的发育潜能是有局限性的。另外，他们用不同种的青蛙进行这样的实验，比如从一个种的青蛙取卵，而供体细胞来自另一种的青蛙，这样的细胞核移植未得到成功。所以有两个局限性，一个是分化细胞发育的局限性，一个是种间核移植的局限性。这是20世纪50年代的结论。十多年以后，有一位英国科学家，也是一位年轻人，他利用非洲蛤螟做了另外的一个实验，突破了以前的实验禁区。他发现用分化了的蝌蚪肠上皮细胞进行核移植，有可能得到蝌蚪或者得到蛤螟，说明分化了的细胞有可能去分化或再程序化。这是非常杰出的工作，非常轰动。现在我谈另外一件事，关于克隆鱼，就是在上述英国人研究的差不多同一时期，即20世纪60年的早期，童第周教授在我国开始了克隆鱼的研究，用金鱼和鳑鮍鱼进行细胞核移植，这是有我国特色的研究工作。后来在苏联和日本好像也有类似的研究。童教授在早期用金鱼和鳑鮍鱼进行这样的研究，后来把鲤鱼的细胞核移植到鲫鱼的去掉细胞核的卵子里边去，或者反过来，均获得了成功。证实了不同种的生物之间也可以成功地进行细胞核的移植。后来，童教授的学生们继续研究，在草鱼和鳊鱼（武昌鱼）之间进行细胞核移植，也获得了成功。童第周教授领导的研究大大突破了西方学者用青蛙实验所得到的结果，突破了物种之间的禁区。在1981年，中国科学院水生生物研究所的一个研究小组把成年三倍体鲫鱼的肾脏细胞核移植到二倍体鲫鱼的去核卵子里边去，获得了三倍体的克隆鱼。证明成年鱼的体细胞也可以去分化和再程序化。最近，我们进一步完成的转基因鱼的克隆，把转基因鲤鱼的细胞核移植到金鱼去核卵里边去，在金鱼卵发育出来的克隆鱼有如下特点：在形态上它与转基因鲤鱼基本上一样，但其侧线鳞片数目和通过X光拍片得到的脊椎骨的数目介于这两种鱼之间。从线粒体的DNA成分分析表明，克隆鱼又和去核卵受体金鱼的完全一致。经深入分析，结果有重要的启示意义，即克隆个体的遗传性状并不是百分之百地由供体细胞核所决定的，换句话说，在目前的技术条件下，除了用可育期雌性的体细胞进行自我克隆之外，不可能用异体细胞百分之百地克隆某一动物(包括人)个体。

我们刚才讲了，1981年中国科学院水生生物研究所用肾脏细胞克隆了一条鱼，这在科学发展中是一件很重要的事情，证明了成年细胞也可以去分化和再程序化。但是很可惜，当时没有得到更多的认可，直到1997年英国体细胞克隆“多利”羊出来的时候，才掀起一场轩然大波。

回顾一下克隆的大事记，应该说是从1949年开始，文章发表在1952年，出现了同一物种胚胎细胞克隆的青蛙；到1963年，出现了同一物种蝌蚪幼体肠上皮细胞克隆的爪赡。前面所说的第一阶段是美国人的研究，第二阶段是英国人的研究，第三阶段则是咱们中国人的研究：1973年以后，鲤鱼和鲫鱼之间、草鱼和鳊鱼之间成功地完成了异种克隆，直至1981—1986年成年鲫鱼体细胞的克隆。我国这十多年的克隆鱼研究写下了辉煌的一页。1997年“多利”羊的出生，克隆研究热点又转回到英国。转基因动物的克隆，不仅在我们的实验室，国际上也有多家实验室完成了转基因动物的克隆。然而，随着科学技术的发展，很多令人担忧的问题也随之出现了。

克隆究竟在哪些方面可以得到利用呢?我想将来可以在三个方面得到利用：(1)扩增特殊的或不育的优良动物个体，比如克隆高产的奶牛等；(2)与转基因结合起来，提供大量临床所需的异种器官；(3)延缓某些濒危动物的消亡。此外，克隆技术在医学上的应用有着巨大的潜力。下面谈转基因的概念。什么叫做转基因呢?可以下个定义，向生物有机体的基因组转移(或植入)外源基因的过程叫转基因。它是一种特殊的“杂交”，即一个基因与另一个染色体组的杂交，它是对生物的定向遗传改造。一般都认为，成功的转基因工作是从1981年开始的，实际上比这个时间还早。如我们国家在20世纪70年代中后期已经有转移总DNA方面的研究。1981年，《自然》发表了一篇文章，两个美国实验小组共同研制出转基因超级鼠。研究者把大鼠的一个管生长的重组基因转移到一个小鼠的受精卵里面去，结果使出生的小鼠变成了大鼠。这是因为小鼠获得了大鼠的重组生长激素基因，它与其同胞兄妹完全不一样，体积大了1倍。这项研究被誉为分子生物学发展的里程碑。转基因可以从多个层面，比如说改良动物的品种质量，提高奶的产量和质量，改善肉的质量，提高瘦肉率和饲料利用率，改变羊毛的质量和产量，提高生长速度和抗病性等等。现在医院里面做器官移植很困难，主要的原因是器官的来源非常短缺。因此，人们想能否用动物的心脏器官来代替人的器官。首先选择了猪，因为猪的心脏大小和结构与人的心脏非常相似。但是直接放进去肯定不行，会产生免疫排斥，没办法配合，先不从伦理道德讲难以接受，就从免疫学角度讲，也没法配合和协调。通过转基因，改造供体和受体之间的免疫应答，一旦建立这样的中心，就可以源源不断地为医院提供所需的器官。再一个是所谓“生物反应器”。通过转基因，可使动物乳腺挤出来的不是牛奶、不是羊奶，而是多种特别有用的药物，如白蛋白、生长激素、胰岛素，血细胞生成因子等等。也可用鸡蛋产生大量的药物，这就叫生物反应器。另外，我要讲鱼是作发育、克隆和转基因研究的很好模型材料。比如上面讲的原肠化过程，除非解剖怀孕的小白鼠或检查人工流产的样品，谁也不可能从正常母体直接进行观察。而鱼则不一样，因为鱼的卵体外受精，在水里发育，在玻璃皿里就可以发育为小鱼苗，在显微镜底下随时可以看到从受精成长为小鱼的过程，包括多个内脏器官逐次出现的实时的变化，也可以看到发育受阻胚胎天折的过程。可以把血细胞发育的有关基因的调控元件分离出来，把一个绿色荧光酶基因与它接起来，通过转基因可以在显微镜下看到带绿色荧光的血细胞是怎样一个一个形成的，是怎样从静止到开始运动的。随着心脏开始跳动，绿色斑点像小蚂蚁一样排着队在胚体内不停地转动，这是一个可视系统，能够使我们看到发育过程中基因是如何工作的。

  （此文刊登于2002年2月8日《科学时报》三版。2001年5月11日至12日，由中国科学院和北京市人民政府共同主办，由中国国际贸易促进委北京市分会和科学时报社承办的“科学家新世纪论坛”在北京人民大会堂开幕。中外著名科学家路甬祥、arry Kroto(英国萨塞克斯大学波诺学家、1996年诺贝尔化学奖获得者)、李国杰、李三立、匡廷云、朱作言、徐晓白、白春礼分别就21世纪科技发展趋势、信息科学技术、生物科学技术、新材料和环境保护等专题作精彩演讲）