克隆胚胎：我有何錯，竟死腹中？

克隆的成功率一直很低，尤其在靈長類動物身上。圖為克隆猴「中中」和」華華」。

撰文 | 彭若詩

責編 | 王承志

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克隆胚胎移植進代孕母鼠體內後，常常停止發育，胎死腹中。研究發現，一種從供體細胞核帶來的「印跡」缺失可能要對此負責。

7月19日，美國哈佛醫學院張毅領導的研究團隊在《細胞·幹細胞》（Cell Stem Cell）刊發的一項研究指出，體細胞核移植克隆形成的胚胎中，原供體細胞核里的一種「印跡」的丟失可能導致了胚胎髮育異常，存活率低。

「這一研究為我們理解體細胞核移植技術的成功率受到哪些限制做出了有用的貢獻。」英國發育生物學家、2012年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者約翰·格登（John Gurdon）告訴《知識分子》，「研究顯示，通過同時克服H3K27me3修飾和它的印跡造成的抑制，核移植胚胎的存活率可能大大提高。」

克隆的成功率一直很低，尤其在靈長類動物身上。今年年初報道的克隆猴「中中」、「華華」是低效率條件下存活的幸運兒——中國科學院上海神經科學研究所使用了127個卵細胞、21隻代孕猴子，才得到「中中」和「華華」。

如何提高克隆效率，是科學家們一直在探討的問題。

研究者通常採用體細胞核移植技術實現克隆：把體細胞的細胞核取出來，放到一個去掉了細胞核的卵細胞中，利用卵細胞中的環境，幫助體細胞的基因獲得非常類似於受精卵中的「狀態」。克隆的效率不高，主要是供體細胞核的基因「狀態」出了問題。

組蛋白上的各種修飾可以影響基因的「狀態」。2012年，張毅團隊開始尋找體細胞核移植得到的小鼠胚胎（以下簡稱「核移植胚胎」）中，哪些修飾出了錯。

2014年，他們發現，發生在組蛋白H3上的第9個氨基酸賴氨酸（K9）上的三甲基化（trimethylation）修飾（H3K9me3）在核移植胚胎中存在異常。向核移植胚胎中注射移除這種修飾的蛋白質Kdm4d的信使RNA，可以修復這一異常，將小鼠克隆的成功率從不到1%提高到8%左右。

核移植胚胎的X染色體常常在Xist基因的調控下失去活性。2010年，日本理化研究所（RIKEN）的小倉淳郎（ Atsuo Ogura）團隊報道， 使用敲除 Xist基因的細胞核可以將克隆的成功率提高8-10倍。

在7月19日發表的新研究中，張毅團隊報道，同時採取敲除Xist基因和注射Kdm4d 信使RNA兩種措施，可以使小鼠體細胞核移植克隆成功率提高到20%左右。

「張毅團隊通過聯用Kdm4d和基因敲除Xist，一度將克隆效率提高到20%，這一可觀的數字意味著今後體細胞核移植技術有望更加高效地應用於疾病機制的研究以及臨床藥物的篩選。」同濟大學生命科學與技術學院院長高紹榮評論說。

不過，20%的效率離體外受精50%以上的成功率還有很大差距。

對核移植胚胎和體外受精胚胎的跟蹤比較發現，差距出在著床之後。核移植胚胎著床後，形成的胎盤往往出現異常增大，並且有半數以上胚胎在不同階段停止了發育。

在此前的研究中，張毅和同事發現，在胚胎髮育的一些階段，來自母親的染色體上的某些區域因為受到組蛋白H3上的第27個氨基酸賴氨酸（K27）上的三甲基化（H3K27me3）修飾而被抑制，而位於父親染色體上的相應區域沒有被修飾，從而使得這些區域編碼的基因僅從來自父親的染色體上表達。這一現象稱為「印跡」（imprinting）。

新的研究發現， H3K27me3印跡在核移植胚胎中並不存在，導致一些在胎盤和胚胎髮育過程中起關鍵作用的基因同時表達了來自兩個染色體的版本。這很可能是胎盤異常、發育停止等現象背後的原因之一。

研究者還發現，核移植胚胎中H3K27me3印跡的缺失很可能來自供體細胞核本身，而不是發育過程導致的。因為相應區域在卵細胞的細胞核中已有H3K27me3修飾，而在各種類型體細胞的細胞核中都沒有H3K27me3印跡。

那麼，如何修復H3K27me3印跡的異常？張毅和同事仍在研究。至於修復後能將效率再提高多少，他謹慎地表示：「除非我們做了才能知道。」

「如果能看到還有哪些過程限制了完全重編程，會（對克隆技術的發展）很有幫助。」約翰·格登說。

知識分子小黑板

基因組印跡（genomic imprinting）

我們的每個基因都有繼承自父親和母親的兩份。對於大多數基因來說，這兩份都會表達。但在一些情況下，有些基因只會表達其中的一份。有些基因通常表達繼承自父親的那一份，另一些通常表達繼承自母親的一份。這種現象叫做基因組印跡。

來源：https://ghr.nlm.nih.gov/primer/inheritance/updimprinting

參考文獻：

1. Matoba, S. et al., Loss of H3K27me3 imprinting in somatic cell nuclear transfer embryos disrupts post-implantation development, Cell Stem Cell (2018), https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.06.008 （主要報道文獻）

2. Inoue, A. et al. (2017) Maternal H3K27me3 controls DNA methylation-independent imprinting. Nature 547, 419-424.

3. Matoba, S. et al. (2014) Embryonic Development following Somatic Cell Nuclear Transfer Impeded by Persisting Histone Methylation. Cell 159 (4), 884-895.

4. Inoue, K. et al. (2010) Impeding Xist Expression from the Active X Chromosome Improves Mouse Somatic Cell Nuclear Transfer. Science 330, 496-499.

製版編輯 | 黃玉瑩

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