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一項(xiàng)近期的研究旨在利用基因新技術(shù)創(chuàng)造出具有草原松雞性腺的家養(yǎng)雞，讓圈養(yǎng)雞能夠生產(chǎn)草原松雞的卵

攝影: Ravi Hirekatur

今年早些時(shí)候，科學(xué)家宣布他們首次成功克隆了一種瀕臨滅絕的北美物種，一只取名叫伊麗莎白·安的黑足鼬(Mustelanigripes, 也稱黑腳雪貂），這只黑足鼬的基因來自一只名叫威拉黑足鼬個(gè)體，它死于30多年前。伊麗莎白.安于2020年12月10日通過剖腹產(chǎn)出生。如果沒有克隆技術(shù)以及那些冷凍威拉DNA的研究人員前瞻性的幫助，它的基因?qū)⒂肋h(yuǎn)不復(fù)存在。伊麗莎白·安的出生為黑腳雪貂圈養(yǎng)繁殖計(jì)劃帶來了新的遺傳多樣性，而且這也是幫助其他瀕危物種的重要一步。

保護(hù)性克隆是最后的手段。它最有希望的用途要么是用于那些后代均來自少數(shù)個(gè)體的物種，科學(xué)界稱之為遺傳瓶頸，要么是現(xiàn)在已經(jīng)瀕臨滅絕的物種。盡管伊麗莎白·安的出生證明了克隆技術(shù)對(duì)高危哺乳動(dòng)物的潛在希望，但就鳥類保護(hù)而言，情況就不同了。

近期被成功克隆的黑足鼬伊麗莎白·安

攝影: USFWS National Black-footed Ferret Conservation Center

“我們現(xiàn)在經(jīng)常被問到，克隆技術(shù)什么時(shí)候能用到鳥類身上？”本·諾瓦克是恢復(fù)與保護(hù)組織的首席科學(xué)家，正是該組織引領(lǐng)了在黑腳雪貂克隆工作方面的努力。諾瓦克說，答案可能是永遠(yuǎn)都不可能在鳥類中進(jìn)行克隆。

要理解這其中的原因，首要的是要了解克隆是如何工作的。獲得克隆個(gè)體的方法不止一種，但著名的綿羊多莉和制造伊麗莎白·安所使用的的技術(shù)被稱為“體細(xì)胞核移植”。這一過程包括交換卵細(xì)胞的遺傳信息，并用供體個(gè)體的DNA替換。首先，研究人員將卵細(xì)胞置于顯微鏡下。然后，他們瞄準(zhǔn)細(xì)胞中包含絕大多數(shù)遺傳信息的細(xì)胞核。他們小心地吸出細(xì)胞核，使卵細(xì)胞失去遺傳密碼。這意味著卵細(xì)胞現(xiàn)在是空白的，準(zhǔn)備用一套新的指令來填充。

下一步是植入他們想要克隆的個(gè)體的體細(xì)胞或細(xì)胞核，其中包含供體的遺傳物質(zhì)。一旦新細(xì)胞及其指令進(jìn)入卵子內(nèi)，研究人員通過電擊震動(dòng)來激勵(lì)這兩種細(xì)胞融合在一起。如果一切正常，這會(huì)誘使卵細(xì)胞認(rèn)為自己已經(jīng)受精，并開始分裂和繁殖，并形成胚胎。在皮氏培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)一段時(shí)間后，產(chǎn)生的胚胎可以植入代孕母親的子宮中，代孕母親將生下克隆個(gè)體。

在真實(shí)實(shí)踐中，這些核移植中只有很小一部分產(chǎn)生了可存活的胚胎，并最終成為成年動(dòng)物。即便如此，自從1996年綿羊多莉證明克隆技術(shù)可行以來，許多哺乳動(dòng)物甚至野生物種，如鹿、灰狼和獼猴，都以這種方式被克隆出來。但是，從來沒有成功克隆過一只鳥。

到目前為止，鳥類無法被成功克隆有幾個(gè)原因。最大的障礙是什么？圣地亞哥動(dòng)物園野生動(dòng)物聯(lián)盟的生殖科學(xué)家湯姆·詹森說，“就是你每天早餐上吃的----蛋黃。”

詹森解釋說，用哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞核交換非常容易，卵細(xì)胞的直徑約為人類毛發(fā)直徑的1到3倍。這些微小卵子是在顯微鏡下滑動(dòng)的完美尺寸，科學(xué)家可以在顯微鏡下找到包含DNA的微小細(xì)胞核。但是在鳥類中，我們稱之為卵黃的卵細(xì)胞要大得多。包含鳥類所有DNA的細(xì)胞核就是卵黃中間的一個(gè)微小的白點(diǎn)，胚胎最終會(huì)從中生長(zhǎng)出來。

卵黃基本上是鳥類胚胎從媽媽那里得到的盒飯，為它提供了最終成長(zhǎng)為準(zhǔn)備孵化的小鳥所需的所有營(yíng)養(yǎng)。這種安排非常有效，但它也為試圖克隆鳥類的科學(xué)家提出了兩個(gè)主要課題。首先，卵黃的大小使它無法在顯微鏡下進(jìn)行必要的工作。第二，即使科學(xué)家可以在顯微鏡下觀察卵黃，發(fā)現(xiàn)漂浮在卵黃某處的微小細(xì)胞核也是極具挑戰(zhàn)性的。諾瓦克將這一過程描述為“在牛奶池中尋找一塊白色石頭” 。

卵子的另一個(gè)問題是，一旦卵黃離開卵巢，它總是在移動(dòng)。在哺乳動(dòng)物的典型克隆過程中，研究人員可以將胚胎插入代孕母親的子宮中，讓其生長(zhǎng)。鳥類沒有這樣的孵化室。在卵黃形成后，它掉入一種叫做輸卵管的東西中，從那里向下移動(dòng)，并同時(shí)開始裝配，首先是蛋清，然后是蛋殼膜。沒有類似子宮的地方可以植入鳥類克隆胚胎。

詹森說：“從技術(shù)上講，哺乳動(dòng)物比鳥類容易得多。所以，我不認(rèn)為核移植技術(shù)是我們可以用在鳥類保護(hù)上的有效方法。”

目前，由于不具備冷凍保存鳥類細(xì)胞并在之后進(jìn)行克隆的能力，在出現(xiàn)遺傳瓶頸或物種嚴(yán)重瀕危的情況下，鳥類沒有像哺乳動(dòng)物那樣的科學(xué)故障保險(xiǎn)。然而，詹森希望一種不同的新興基因技術(shù)能夠?qū)l危鳥類發(fā)揮類似的作用。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)不是創(chuàng)造一個(gè)完整的克隆體，而是改變生產(chǎn)雛鳥的種類。這就要求研究人員關(guān)注鳥類的睪丸和卵巢，也稱為性腺。詹森說：“我們不在乎（宿主物種）看起來是否像受體動(dòng)物，我們關(guān)心的只是它的性腺與我們正在克隆的動(dòng)物是相同的，對(duì)于鳥類的克隆，我們可以僅僅是克隆性腺。”

鳥類克隆的答案取決于一種叫做“原始生殖細(xì)胞”或PGC的東西。這基本上是一個(gè)花哨的術(shù)語，指的是那些最終要變成精子和卵細(xì)胞的細(xì)胞?？寺〔溉閯?dòng)物需要將一個(gè)個(gè)體的DNA植入一個(gè)卵子，并產(chǎn)生一個(gè)后代，即供體的基因復(fù)制品。而通過PGC技術(shù)，我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)生殖腺含有另一物種DNA的替代物。研究者將這些雜交動(dòng)物稱為嵌合體。

為了制造嵌合體，研究人員小心地將供體中的PGC植入正在發(fā)育的宿主胚胎中。然后，PGC會(huì)遷移到宿主胚胎的性腺。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，寄主將會(huì)長(zhǎng)大至成年，并產(chǎn)生出含有捐贈(zèng)者DNA的精子或卵子。

例如，你可能有一只做為宿主的家養(yǎng)公雞，它可以產(chǎn)生帶有草原松雞(Tympanuchus cupido)DNA的精子。如果這只公雞與一只雌性草原松雞交配，那么這只母雞就可以生產(chǎn)出純種的草原松雞，而不是松雞和家雞的雜交后代。這種方法的好處是，理論上，一個(gè)寄主父母可以在其一生中用供體的DNA產(chǎn)生許多后代，而不是通過克隆只能產(chǎn)生單個(gè)個(gè)體。而且，只要研究人員能夠冷凍保存這些PGC，這一樣可以從很久以前死去的捐贈(zèng)者那里帶回DNA。

問題是PGC技術(shù)比克隆技術(shù)要復(fù)雜得多，有更多的步驟可能出錯(cuò)，所以它仍在開發(fā)之中。然而，研究人員已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，希望有一天這項(xiàng)技術(shù)能夠用于自然保護(hù)。

到目前為止，大部分研究都涉及家養(yǎng)雞。幾組研究人員已經(jīng)成功地將PGC從一種家雞轉(zhuǎn)移到另一種家雞，并用供體DNA產(chǎn)生后代。

詹森和他的團(tuán)隊(duì)正在研究是否可以將來自死亡個(gè)體的干細(xì)胞用于這項(xiàng)技術(shù)，并試圖找出捐贈(zèng)者和宿主物種在基因上的距離。到目前為止，所有他的實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入到雞胚胎中的細(xì)胞，都像預(yù)期的那樣遷移到了性腺中。詹森說：“這是一個(gè)非常非常好的跡象，我們可以在多個(gè)物種甚至遠(yuǎn)緣物種之間進(jìn)行研究。盡管我們還沒有孵化出任何小雞來驗(yàn)證精子生產(chǎn)的功能。”

與此同時(shí)，恢復(fù)與保護(hù)組織正在生產(chǎn)考慮以保護(hù)為目的的種間嵌合體的制造。更具體地說，他們正處于讓家雞產(chǎn)生更多草原松雞精子的初步階段。德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員羅斯瑪麗·沃爾澤姆目前正在領(lǐng)導(dǎo)這些工作。她的實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)了一群草原松雞，今年春天她的團(tuán)隊(duì)希望仔細(xì)提取一些原始生殖細(xì)胞（這本身就是一項(xiàng)棘手的任務(wù)），最終嘗試將其引入家雞。他們的想法是用一種與家養(yǎng)雞密切相關(guān)的物種來完善這一過程，然后將他們掌握的技術(shù)和知識(shí)應(yīng)用于瀕危甚至滅絕的物種。

最終，這項(xiàng)技術(shù)可能有助于改善像加州禿鷹(Gymnogyps californianus)或美洲鶴(Grus Americana)這樣的物種的遺傳多樣性，目前這些物種只是少數(shù)個(gè)體的后代。詹森認(rèn)為：“幾乎任何一項(xiàng)繁育計(jì)劃，只要你能在幾十年后把一個(gè)個(gè)體帶回來，都會(huì)從這種多樣性發(fā)展中受益。”

理想情況下，這項(xiàng)技術(shù)最好永遠(yuǎn)也沒有必要使用。保護(hù)物種的最佳方法是保持物種豐富，棲息地和生態(tài)系統(tǒng)完好無損。但在最壞的情況下，它可能是一個(gè)有價(jià)值的工具。詹森和諾瓦克說，他們最終希望這項(xiàng)技術(shù)能夠發(fā)展到研究人員可以用霧網(wǎng)捕捉野生鳥類，提取它們的原始生殖細(xì)胞，然后釋放它們。這些細(xì)胞可以儲(chǔ)存起來，也可以立即放入宿主中繁殖更多的物種，而不必將野生種群實(shí)施圈養(yǎng)人工繁殖。但雙方都承認(rèn)，這一愿景還有很長(zhǎng)的路要走。“我們的目標(biāo)非常雄心勃勃，但我們認(rèn)為它是可行的。”

(本文略異于以往科普短文, 有一些技術(shù)含量, 因此也查閱了若干相關(guān)資料, 并咨詢了相關(guān)專家，力圖在科技詞匯乃至科學(xué)原理上不要鬧太多笑話。如有不妥，請(qǐng)留言指正。----編譯者)

編譯整理自Audubon網(wǎng)站 Science 專欄

原文作者: Rachel Fritts