人類克隆自己：還有什麼困難？

克隆技術遠不是平時我們想像的那樣簡單，圖片來自daily-inspirational.com

編者按：

很多影視作品為了吸引眼球，加入了克隆人類的相關情節。事實上，我們離克隆人只有一牆之隔。早在1958年，生物學家戈登第一次成功地將成年爪蟾體細胞的核移植到卵里發育出活的胚胎，1996年，克隆羊多莉誕生，2006年，日本科學家山中伸彌使用4種轉錄因子處理體細胞，即可使細胞變回多能幹細胞。未來人類是否會複製自己，它將給社會帶來哪些倫理壓力呢？本專欄由復旦大學教授於文強組織策劃，邀請了國內外表觀遺傳學領域工作者共同完成。

撰文 | 王承志（中科院生物物理所）

責編 | 葉水送

1978年，美國記者David Rorvik出版了一本書：《自我的鏡像：人的克隆》（In His Image: The Cloning of a Man），轟動了世界。書中記述了一位叫麥克斯的富翁找到了作者本人，並通過他招募了一批科學家在一個秘密的地點對富翁本人進行克隆實驗，而且獲得成功。書中詳細地描述了科學家如何通過一種叫做「核移植」的技術將這位富翁的基因組放到卵細胞里，並找了一位叫做Sparrow的代孕母親生出了一名健康的男孩的過程。由於書中對專業細節的描述極其逼真詳細，使得很多讀者相信這是真實發生的故事而非小說，甚至作者本人也聲稱這是真實的事件而非虛構。

《In his Image: The Cloning of a Man》一書封面。圖片來自abebooks.com

在此之前，普通公眾對「克隆」以及「核移植」這樣的專業辭彙相當陌生。這本書暢銷後，引發了公眾對克隆人技術以及倫理的廣泛探討。就在此時，英國生物學家德里克·布拉姆霍爾（Derek Bromhall）將這本書的出版商告上法庭，稱這本書中關於克隆技術的描寫大段抄襲了自己的博士論文，並索賠700萬美元。官司一直延續到1982年，最終出版商賠付了10萬美元並發表聲明這本書確實是虛構的。

故事雖然是虛構的，但書中描述的技術卻真實存在。1996年，生物學界發生了一件大事，一夜之間成為了全球各大媒體的頭條：一隻名叫多莉的克隆羊誕生了。它並非人類首次克隆的動物，但這是人類成功使用成年哺乳動物細胞的克隆動物，說明人類有能力對高等動物進行真正意義上的「複製」。一時間，克隆又成為熱門話題，很多影視作品也加入了克隆人相關的情節。

克隆技術是如何發展起來的？

事實上，克隆技術的發展還得從胚胎學發展的早期說起。19世紀30、40年代，細胞學說被提出來，人們認識到所有動物包括人類都是由細胞組成的，動物所有的細胞都來源於一個受精卵。但這也引出了一個新的問題：為何一個受精卵可變成身體各種不同的細胞。1885年，德國進化生物學家奧古斯特·魏斯曼（August Weissman）提出了一個假說來解釋這個現象：細胞每分裂一次，遺傳物質就減半，含有不同數量遺傳物質的細胞就變成不同形態的「分化」細胞。

孰料這個假說很快引發了一場爭論：胚胎學家韋爾海姆·魯（William Roux）用兩細胞期的早期青蛙胚胎做實驗。他用燒熱的針頭破壞其中一個細胞，剩餘的細胞會發育成殘缺不全的胚胎，這很符合魏斯曼的假說。而德國生物學家漢斯·杜里舒（Hans Driesch）用海膽胚胎做類似的實驗，卻發現分開的囊胚細胞可以各自獨立發育成完整的胚胎，這完全否定了魏斯曼的假說。儘管雙方為此爭論不休，卻促進了胚胎學的蓬勃發展。

1938年，著名的胚胎學家漢斯·斯佩曼（Hans Spemann）提出了一個假想的實驗：如果把卵細胞的細胞核替換成別的細胞核，那麼這個卵細胞是否能發育成胚胎？限於實驗條件，該實驗當時未能做成，但這個大膽的想法讓很多科學家著迷。1952年，美國生物學家Robert Briggs 和Thomas King改進了核移植技術，並將青蛙受精卵的細胞核移植到未受精的卵細胞中，結果竟然真的發育出了胚胎。受精卵本來就是一個全能性的細胞，這個實驗依然沒有回答分化後的細胞是否還具有全能性的問題。1958年，英國生物學家約翰·戈登（John Gurdon）第一次成功地將完全分化的爪蟾蝌蚪的腸上皮細胞的核移植到卵里，發育出活的胚胎，人類實現了長久以來「複製動物」的夢想。從此，克隆動物的大門被人類打開了。

約翰·戈登。圖片來源： wikipedia.org

此後，各種克隆動物陸續被科學家造出來。除了多莉羊，還有老鼠、貓、狗、豬、牛等等哺乳動物。人類似乎離克隆自己只有一步之遙。2004年，韓國首爾大學教授黃禹錫發表了一篇論文，稱自己成功地在體外克隆了人類胚胎，但隨後這篇文章被發現造假。至今，克隆人實驗就再也沒有公開地發表過。

克隆技術遇到了什麼瓶頸

受精卵可發育出全身所有類型的細胞，這種特性就像樹榦上能夠長出不同的枝葉一樣，所以細胞的這種能力被稱為「乾性」。然而受精卵在發育中逐漸變成特化的細胞，如肝臟細胞、皮膚細胞等，同時將失去乾性，這被稱為「分化」。在核移植的實驗中，失去乾性的細胞核重新放回卵細胞中，卵細胞中的一些物質將使其變回具有乾性的狀態，這個過程被稱為「重編程」，類似於人為將運行完的程序再調回初始狀態。

雖然不同的動物被成功克隆出來，但總體來說，克隆仍然是成功率極低的實驗。在多莉羊的實驗中，科學家做了277次實驗才得以成功。核移植的實驗雖然原理簡單，但操作起來非常繁瑣複雜。另外，每種動物的卵也具有不同的特性。例如，豬的卵細胞里含有大量脂肪，這使得在顯微鏡下整個卵細胞黑乎乎一片，難以操作；而鳥類的卵細胞中巨大的卵黃，也使得科學家也無法分離出細胞核。

另外，核移植技術依賴於供體卵細胞，這也很大程度上限制了其應用。然而，2006年，日本科學家山中伸彌發表了一項突破性的研究：使用4種轉錄因子處理體細胞，就可在體外把任一類型的體細胞變回多能幹細胞。相比核移植技術，這簡直稱得上是「重編程」的魔法！論文發表之初，幹細胞領域的絕大多數科學家對此都持強烈的懷疑態度，然而越來越多的科學家在自己的實驗室中重複出了同樣的結果，於是才不得不承認這確確實實是神奇且可行的方法。山中伸彌把這種細胞稱為誘導多功能幹細胞（iPS細胞），他和最早成功地進行成年爪蟾體細胞核移植克隆實驗的戈登一起榮獲了2012年諾貝爾生理或醫學獎。2009年，我國學者周琪和高紹榮分別獨立使用iPS細胞成功發育出小鼠，證明了iPS的多能性，也為這項技術應用於動物克隆鋪平了道路。

自然狀態下，細胞為何不可逆生長

前面已經提到，將細胞消失的乾性再找回來，把已分化的體細胞變回分化前的狀態，這是「時光逆轉」的反自然操作，細胞里自然會有相應的機制來防止這種事件的發生。最近，科學家發現這主要是一些被稱為「表觀遺傳」的因子在控制著這個過程。

自從1928年英國生物學家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）證明了DNA是生物的遺傳物質以後，遺傳學的研究開始從孟德爾時代的宏觀實驗逐漸發展為分子水平的實驗。DNA序列決定生物的表型成為了遺傳學的理論基礎。

然而生物學家慢慢發現，有些時候DNA序列相同卻可能出現不同的表型。1930年，美國遺傳學家赫爾曼·繆勒（Hermann Muller）在果蠅誘變實驗中，發現了一種奇怪的表型：一種突變的果蠅眼睛既不是野生型的紅色，也不是含有white基因的白色，而是呈現「白裡透紅」的花斑！深入研究發現這是由於含有white基因的DNA片段倒位插入到鄰近染色體臂附近的區域，雖然DNA序列沒變，但它在染色體上的位置變化而產生了不同的表型，這種現象後來被稱為「位置花斑效應」。

果蠅眼睛呈現的位置花斑效應。圖片來源smallscienceworks.com

2001年，第一隻克隆貓（名字叫做Cc，意思是copy cat）誕生。研究人員驚奇地發現它的毛色和它的「生母」（提供遺傳物質的母貓）很不一樣。類似地，人類的同卵雙胞胎有時也會出現不同的發色。明明是一模一樣的DNA，為何出現了不同的表型？

第一隻克隆貓Cc和它的生物學母親。圖片來自reddit.com

這些現象背後的原理吸引著科學家探索的腳步。人們逐漸發現DNA序列並不是孤立起作用，而是和它周圍的其它物質一起形成一個精密的結構，這被稱為染色質。染色質里除了有DNA，還有各種蛋白質以及RNA等。更讓人驚訝的是，無論是DNA、RNA還是蛋白質，它們上面都有一些額外的基團，例如甲基、乙醯基等等。這些基團被稱為「修飾」，但它們的作用可遠遠不是「裝飾」。實際上，修飾可隨著細胞的狀態改變而改變，並且有時還能影響細胞的狀態。更進一步的研究顯示，很多修飾還可以在細胞分裂的過程中「遺傳」到子代細胞，這些發現逐漸形成了一門新的學科：表觀遺傳學。

表觀遺傳學發展起來以後，很多以前的老問題迎刃而解了。「位置花斑效應」被證明是由一種會導致基因沉默的組蛋白修飾引起，而Cc克隆貓的毛色和它的母親不同是由於雌性的兩條X染色體被DNA甲基化隨機失活一條造成的，因為控制毛色的基因恰好位於X染色體上。

而讓發育生物學家困惑的「分化」過程，原來本質上也是一個表觀因素作用的過程。在幹細胞向不同方向分化時，相應的轉錄因子被激活，然後結合特定的DNA序列並改變相應的染色質狀態，從而改變基因表達的狀態。這個過程還可以改變其它轉錄因子的表達，形成級聯效應，最終驅動細胞向相應的方向改變，這個過程也被生物學家形象地稱為「細胞的命運決定」。

由此可見，細胞命運的改變本質上是染色質狀態的改變。這個改變過程伴隨著轉錄因子、DNA以及其周圍各種蛋白質和RNA之間複雜的相互作用決定。克隆技術依賴的「重編程」實際上也就是染色質狀態的「重置」。而「重編程」極低的成功率也與染色質上某些「屏障」阻礙作用有關。多年來，揭開這個屏障的謎底一直是表觀和幹細胞領域的熱點問題。最近，華人學者張毅發表數篇論文，證實一種表觀修飾（H3K9me3）是這種屏障之一。去除這種修飾以後，小鼠和人細胞的核移植成功率都得到了數倍的提高。這項突破為克隆技術的發展提供了新的工具。

克隆技術的應用潛力

迄今為止，克隆動物依然是一項成功率低、成本高昂的實驗。但克隆技術的發展，已極大推動了人類對生命本質的認識。如果有一天，克隆動物變成了簡單易行、成本較低的事情，將會給人類帶來哪些改變呢？

首先，製藥行業將極大受益。克隆的動物具有相同的遺傳背景，這克服了目前製藥研發中藥物反應異質性的問題。通過基因編輯操作，可以使實驗動物對藥物的反應更接近於人類，這樣的動物克隆可使藥物研發成功率大大提高。

由於胚胎幹細胞具有全能型，如果能在實驗室將其發育為某種組織甚至器官，這將會極大促進再生醫學的發展。目前已有皮膚幹細胞的克隆進行大面積皮膚損傷（如燒傷或潰瘍）治療的嘗試。雖然這離克隆技術還有距離，但因為基於類似的原理讓科學家看到未來克隆技術的潛力。

2008年，美國FDA在諮詢了領域內的專家後發表聲明，認為克隆家畜的可食用性（比如肉和奶製品）與非克隆動物一樣。這使得研究者可以使用克隆技術來複制具有相應特性（比如產奶量高）的動物。但目前克隆技術成本昂貴，還無法真正應用於農業。

克隆技術還可能用於挽救瀕臨滅絕的動物，甚至可能將已經滅絕的動物「復活」。我國學者曾經做過使用兔作為母體克隆大熊貓的嘗試。目前，哈佛大學的教授喬治·切奇（George Church）正在嘗試克隆已滅絕的猛獁象，如能獲得成功，將會是克隆史上的里程碑式的事件。

人類是否能克隆自己？

雖然克隆人類已經出現在各種文學和影視作品中，但現實中並沒有人類被克隆。從技術上說，克隆人類（以及其它靈長類）的難度相比其它動物要大得多。因為靈長類動物的卵細胞中的紡錘體蛋白緊貼染色體，而其它哺乳動物的紡錘體蛋白則分散在卵細胞中。在對靈長類動物進行核移植時去掉卵細胞的細胞核時不可避免將紡錘體蛋白也帶走，而紡錘體蛋白對細胞分裂是必須的。

另外，克隆動物還有很多問題沒有解決。其中重要的一點是，人為製造的幹細胞和癌症細胞有很多共性，比如都有極強的增殖潛能。研究人員發現經過數十次分裂後，幹細胞可以積累大量突變，這增加了科學家對克隆技術的擔憂。事實上，多莉羊在6歲時（正常綿羊壽命為12歲）已深受多種疾病折磨，研究人員出於人道考慮，不得不對它執行了安樂死。

相比技術上的問題，倫理上的問題則更為突出。每一個人都有其自我以及社會唯一性，如果人類能夠被克隆則可能改變這一切。必須要指出的是，人類胚胎在發育早期會去除來自父母的多種表觀遺傳修飾，如DNA甲基化和組蛋白修飾，所以在人類胚胎克隆中，也一定會去除供體已有的表觀遺傳學修飾。此外，克隆後胚胎的發育環境，也肯定和供體的早期發育環境不同。因此，從遺傳學角度來講，人類可以克隆自己；但是，從表觀遺傳學角度，你永遠不能「拷貝」你自己。也就是說，克隆一個跟供體完全一樣的自己是不可能完成的任務。

更重要的是，克隆人類的技術極有可能被恐怖極端組織利用，其後果將讓人不敢想像。曾有社會學家預測，如果克隆人類技術可行，一定會有地下組織利用這個技術進行器官以及其他非法交易。人類一旦打開克隆自己的潘多拉魔盒，就可能再也回不了正常的狀態了。目前大部分國家已立法禁止任何形式的克隆人類實驗。

克隆技術朝著高效、易行且廉價的方向發展。其它的生物學技術，如基因編輯技術等也正和克隆技術逐漸結合，這可能會從根本上改變人類對生物學的研究方式。如果克隆技術得到普及，也會改變目前醫學、農業等領域的研究和生產範式。但克隆人類的嘗試可能會帶來難以預料的後果，整個科學界應該永遠對此保持高度的警惕。

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製版編輯：李 赫丨

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