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克隆鸟类比哺乳动物困难许多

媒体:观鸟者  作者:内详
专业号:中国沿海湿地保护网络
2021/10/8 15:08:45

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一项近期的研究旨在利用基因新技术创造出具有草原松鸡性腺的家养鸡,让圈养鸡能够生产草原松鸡的卵

摄影: Ravi Hirekatur

今年早些时候,科学家宣布他们首次成功克隆了一种濒临灭绝的北美物种,一只取名叫伊丽莎白·安的黑足鼬(Mustelanigripes, 也称黑脚雪貂),这只黑足鼬的基因来自一只名叫威拉黑足鼬个体,它死于30多年前。伊丽莎白.安于2020年12月10日通过剖腹产出生。如果没有克隆技术以及那些冷冻威拉DNA的研究人员前瞻性的帮助,它的基因将永远不复存在。伊丽莎白·安的出生为黑脚雪貂圈养繁殖计划带来了新的遗传多样性,而且这也是帮助其他濒危物种的重要一步。

保护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来自少数个体的物种,科学界称之为遗传瓶颈,要么是现在已经濒临灭绝的物种。尽管伊丽莎白·安的出生证明了克隆技术对高危哺乳动物的潜在希望,但就鸟类保护而言,情况就不同了。

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近期被成功克隆的黑足鼬伊丽莎白·安

摄影: USFWS National Black-footed Ferret Conservation Center

“我们现在经常被问到,克隆技术什么时候能用到鸟类身上?”本·诺瓦克是恢复与保护组织的首席科学家,正是该组织引领了在黑脚雪貂克隆工作方面的努力。诺瓦克说,答案可能是永远都不可能在鸟类中进行克隆。

要理解这其中的原因,首要的是要了解克隆是如何工作的。获得克隆个体的方法不止一种,但著名的绵羊多莉和制造伊丽莎白·安所使用的的技术被称为“体细胞核移植”。这一过程包括交换卵细胞的遗传信息,并用供体个体的DNA替换。首先,研究人员将卵细胞置于显微镜下。然后,他们瞄准细胞中包含绝大多数遗传信息的细胞核。他们小心地吸出细胞核,使卵细胞失去遗传密码。这意味着卵细胞现在是空白的,准备用一套新的指令来填充。

下一步是植入他们想要克隆的个体的体细胞或细胞核,其中包含供体的遗传物质。一旦新细胞及其指令进入卵子内,研究人员通过电击震动来激励这两种细胞融合在一起。如果一切正常,这会诱使卵细胞认为自己已经受精,并开始分裂和繁殖,并形成胚胎。在皮氏培养皿中生长一段时间后,产生的胚胎可以植入代孕母亲的子宫中,代孕母亲将生下克隆个体。

在真实实践中,这些核移植中只有很小一部分产生了可存活的胚胎,并最终成为成年动物。即便如此,自从1996年绵羊多莉证明克隆技术可行以来,许多哺乳动物甚至野生物种,如鹿、灰狼和猕猴,都以这种方式被克隆出来。但是,从来没有成功克隆过一只鸟。

到目前为止,鸟类无法被成功克隆有几个原因。最大的障碍是什么?圣地亚哥动物园野生动物联盟的生殖科学家汤姆·詹森说,“就是你每天早餐上吃的----蛋黄。”

詹森解释说,用哺乳动物卵细胞进行细胞核交换非常容易,卵细胞的直径约为人类毛发直径的1到3倍。这些微小卵子是在显微镜下滑动的完美尺寸,科学家可以在显微镜下找到包含DNA的微小细胞核。但是在鸟类中,我们称之为卵黄的卵细胞要大得多。包含鸟类所有DNA的细胞核就是卵黄中间的一个微小的白点,胚胎最终会从中生长出来。

卵黄基本上是鸟类胚胎从妈妈那里得到的盒饭,为它提供了最终成长为准备孵化的小鸟所需的所有营养。这种安排非常有效,但它也为试图克隆鸟类的科学家提出了两个主要课题。首先,卵黄的大小使它无法在显微镜下进行必要的工作。第二,即使科学家可以在显微镜下观察卵黄,发现漂浮在卵黄某处的微小细胞核也是极具挑战性的。诺瓦克将这一过程描述为“在牛奶池中寻找一块白色石头” 。

卵子的另一个问题是,一旦卵黄离开卵巢,它总是在移动。在哺乳动物的典型克隆过程中,研究人员可以将胚胎插入代孕母亲的子宫中,让其生长。鸟类没有这样的孵化室。在卵黄形成后,它掉入一种叫做输卵管的东西中,从那里向下移动,并同时开始装配,首先是蛋清,然后是蛋壳膜。没有类似子宫的地方可以植入鸟类克隆胚胎。

詹森说:“从技术上讲,哺乳动物比鸟类容易得多。所以,我不认为核移植技术是我们可以用在鸟类保护上的有效方法。”

目前,由于不具备冷冻保存鸟类细胞并在之后进行克隆的能力,在出现遗传瓶颈或物种严重濒危的情况下,鸟类没有像哺乳动物那样的科学故障保险。然而,詹森希望一种不同的新兴基因技术能够对濒危鸟类发挥类似的作用。这项研究的重点不是创造一个完整的克隆体,而是改变生产雏鸟的种类。这就要求研究人员关注鸟类的睾丸和卵巢,也称为性腺。詹森说:“我们不在乎(宿主物种)看起来是否像受体动物,我们关心的只是它的性腺与我们正在克隆的动物是相同的,对于鸟类的克隆,我们可以仅仅是克隆性腺。”

鸟类克隆的答案取决于一种叫做“原始生殖细胞”或PGC的东西。这基本上是一个花哨的术语,指的是那些最终要变成精子和卵细胞的细胞。克隆哺乳动物需要将一个个体的DNA植入一个卵子,并产生一个后代,即供体的基因复制品。而通过PGC技术,我们的目标是创造一个生殖腺含有另一物种DNA的替代物。研究者将这些杂交动物称为嵌合体。

为了制造嵌合体,研究人员小心地将供体中的PGC植入正在发育的宿主胚胎中。然后,PGC会迁移到宿主胚胎的性腺。如果一切按计划进行,寄主将会长大至成年,并产生出含有捐赠者DNA的精子或卵子。

例如,你可能有一只做为宿主的家养公鸡,它可以产生带有草原松鸡(Tympanuchus cupido)DNA的精子。如果这只公鸡与一只雌性草原松鸡交配,那么这只母鸡就可以生产出纯种的草原松鸡,而不是松鸡和家鸡的杂交后代。这种方法的好处是,理论上,一个寄主父母可以在其一生中用供体的DNA产生许多后代,而不是通过克隆只能产生单个个体。而且,只要研究人员能够冷冻保存这些PGC,这一样可以从很久以前死去的捐赠者那里带回DNA。

问题是PGC技术比克隆技术要复杂得多,有更多的步骤可能出错,所以它仍在开发之中。然而,研究人员已经取得了一些进展,希望有一天这项技术能够用于自然保护。

到目前为止,大部分研究都涉及家养鸡。几组研究人员已经成功地将PGC从一种家鸡转移到另一种家鸡,并用供体DNA产生后代。

詹森和他的团队正在研究是否可以将来自死亡个体的干细胞用于这项技术,并试图找出捐赠者和宿主物种在基因上的距离。到目前为止,所有他的实验室通过实验导入到鸡胚胎中的细胞,都像预期的那样迁移到了性腺中。詹森说:“这是一个非常非常好的迹象,我们可以在多个物种甚至远缘物种之间进行研究。尽管我们还没有孵化出任何小鸡来验证精子生产的功能。”

与此同时,恢复与保护组织正在生产考虑以保护为目的的种间嵌合体的制造。更具体地说,他们正处于让家鸡产生更多草原松鸡精子的初步阶段。德克萨斯农工大学的研究人员罗斯玛丽·沃尔泽姆目前正在领导这些工作。她的实验室饲养了一群草原松鸡,今年春天她的团队希望仔细提取一些原始生殖细胞(这本身就是一项棘手的任务),最终尝试将其引入家鸡。他们的想法是用一种与家养鸡密切相关的物种来完善这一过程,然后将他们掌握的技术和知识应用于濒危甚至灭绝的物种。

最终,这项技术可能有助于改善像加州秃鹰(Gymnogyps californianus)或美洲鹤(Grus Americana)这样的物种的遗传多样性,目前这些物种只是少数个体的后代。詹森认为:“几乎任何一项繁育计划,只要你能在几十年后把一个个体带回来,都会从这种多样性发展中受益。”

理想情况下,这项技术最好永远也没有必要使用。保护物种的最佳方法是保持物种丰富,栖息地和生态系统完好无损。但在最坏的情况下,它可能是一个有价值的工具。詹森和诺瓦克说,他们最终希望这项技术能够发展到研究人员可以用雾网捕捉野生鸟类,提取它们的原始生殖细胞,然后释放它们。这些细胞可以储存起来,也可以立即放入宿主中繁殖更多的物种,而不必将野生种群实施圈养人工繁殖。但双方都承认,这一愿景还有很长的路要走。“我们的目标非常雄心勃勃,但我们认为它是可行的。”

(本文略异于以往科普短文, 有一些技术含量, 因此也查阅了若干相关资料, 并咨询了相关专家,力图在科技词汇乃至科学原理上不要闹太多笑话。如有不妥,请留言指正。----编译者)

编译整理自Audubon网站 Science 专栏

原文作者: Rachel Fritts


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