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克隆人离我们还有多远

有个寓言说,曾经有一个国家当中有一口叫做狂泉的泉水,任何人只要喝一口狂泉水就会变成疯子。这个国家所有臣民都喝了狂泉水,陷入了一种疯疯癫癫的状态。唯独国王保持清醒没喝这个水,所以没有跟着一起发疯。结果全国的疯子反倒觉得国王精神有问题,于是把国王绑了起来,想方设法治疗他的疯病。最终,国王受不了那些疗法的折磨,只能主动喝下狂泉之水,与民同疯。

这样的事情不仅会发生在人类社会,在一个简单的细胞中,也有可能上演这种民逼官反的乱象。绝大多数细胞都有不同类型的细胞器,它们各司其职来确保细胞正常运转。而细胞核则堪称整个细胞的最高控制中心。细胞核中包含了细胞中几乎所有的遗传信息。一般来说,细胞要进行活动,都得先向细胞核申报,细胞核批准以后,就会调用相关的基因,然后让一种叫做信使RNA(mRNA)的分子将遗传信息带出去,以便让相关的细胞器执行自己的命令。可以说,在细胞里,细胞核就是国王,而细胞中其它的结构和成分就是臣民。

显微镜下的细胞,其中染成蓝色的就是细胞核。图片来源:维基百科

体细胞核移植:为细胞另立新主

很显然,只有国王与臣民齐心合力才能把这个细胞运作得井井有条,但要是臣民突然跟国王翻脸了会怎么样?1964年,英国科学家约翰戈登(John Gurdon)对一种叫做非洲爪蟾(Xenopus laevis)的蟾蜍的卵细胞来了一个狸猫换太子:他首先取走了这个卵细胞的细胞核,而后又将一个爪蟾体细胞的细胞核移植到这个卵细胞中。更阴险的是,他还对这个卵细胞用电流和化学药剂进行处理,相当于在卵细胞的臣民中散播谣言:你已经受精了,赶紧变成受精卵然后发育成胚胎吧。

这下子,国王和臣民就不是上下一心了:国王依然觉得自己是一个体细胞的细胞核,它希望自己的臣民而臣民们则并没有意识到国王已经被掉包,纷纷请求细胞核下达让受精卵发育的命令。由于卵细胞是多数动物体内体型最大的细胞,各种细胞器和细胞质成分都人多势众,很快,细胞核就感到众怒难犯,最终不得不改变自己的立场,让自己转型成一个卵细胞的细胞核来指导卵细胞发育成胚胎。

克隆(体细胞核移植重编程)技术的发明人约翰戈登。图片来源:维基百科

在这个过程中,卵细胞的细胞质让体细胞的细胞核转变了自己的运作模式,就像是计算机程序被重新编写了一样。因此科学家们将这种现象叫做细胞的重编程。由于在此过程中需要将体细胞的细胞核移植到没有核的卵细胞中,所以这种技术就叫做体细胞核移植重编程(Somatic Cell Nucleus Transfer Reprogram)。它还有一个更加耳熟能详的名字克隆(Clone)。通过克隆技术,一个普通的体细胞也能变得像受精卵一样具有发育成各种器官乃至完整生物个体的可能性,可以说是一种极具潜力的生物技术。

克隆技术示意图。图片来源:鬼谷藏龙

1997年,一只名叫多莉(Dolly)的克隆羊在苏格兰降生,从此拉开了克隆哺乳动物的序幕。在那之后,随着克隆鼠、克隆牛乃至各种克隆珍稀野生动物的步步突破,人们纷纷开始关注起一个新名词克隆人。我们距离克隆人还有多远?克隆人该不该被创造出来?一向对新技术极为敏感的舆论从一开始就对克隆人不抱好感,民间对于克隆人的态度一度甚至可以用恐慌来形容。

克隆人:惨淡收场的学术竞赛

不过,学术界对于克隆技术更多的是期待而非恐惧:姑勿论人体,就算只是实现对人类器官、组织或仅仅是某种细胞的克隆,都是巨大的进步。在克隆羊、小鼠以及牛等动物取得成功后,学术界确实曾经幻想克隆人类组织也是指日可待的事情。

在不能克隆人类个体的情况下,我们可以先退而求其次克隆出人类胚胎干细胞。理论上,人类胚胎干细胞可以分化产生人体绝大多数的组织和器官,一旦克隆技术成熟,需要器官移植的患者苦苦等待器官配型的岁月也许就将一去不复返了。

生物学家们围绕胚胎干细胞的克隆展开了激烈的竞赛。参赛者中不乏一些名闻遐迩的大人物多莉羊的缔造者威尔穆特(Sir Ian Wilmut),世界上第一个成功克隆小鼠的若山照彦(Wakayama Teruhiko),最早成功克隆出牛和狗的韩国著名科学家黄禹锡等等。一时之间,学术界风起云涌,各路英雄剑拔弩张,大有角逐武林盟主之势。

然而,克隆人类胚胎干细胞并非信手拈来的事情。没过多久,人们就意识到这是一个极为艰巨的任务。一方面,被转移到卵细胞里面的细胞核属于赶鸭子上架,就像逼着一个木匠去做外科医生一样,这个细胞核对于自己的新任务、新身份会有诸多的不适应。这种外行指挥内行的结果,就是绝大多数克隆胚胎都难以正常发育,以至于胎死腹中。

对于实验动物,研究者收集成百上千的卵细胞,做成百上千次核移植,本着枪打多了总有中靶的思想去尝试,总会有那么几个体细胞核能够在工作中学习进步,做好自己的新工作,指挥细胞成为健康的胚胎与动物个体。但是人类是一个月才排出一颗卵的物种,加之包括人类在内的大部分灵长类动物的细胞核似乎对自己的工作非常专一,无论怎么对这些细胞核进行培训似乎都难以使它们胜任自己的新使命,这让克隆人类胚胎干细胞的任务异常艰巨。利用核移植重编程技术获得的人类胚胎往往在几天之内就会发育停滞,然后不可避免地走向死亡。

在这场持久而激烈的竞赛中,最先宣布自己胜利的是韩国科学家黄禹锡。他在科学界最具影响力的杂志之一《科学》上发表了他的研究成果在对多达242颗人类卵细胞进行核移植的尝试后,他的研究团队成功地克隆出了人类胚胎干细胞。

韩国科学家黄禹锡()。图片来源:Sooam.org

几乎是一夜之间,黄禹锡成了韩国的民族英雄。《时代》杂志将黄禹锡作为封面人物,评论说黄禹锡的工作让我们相信克隆人很快将不再是科幻,而会是活生生的现实。仅仅一年之后,黄禹锡成功克隆出了病人的胚胎干细胞。要知道,克隆出病人特异性的胚胎干细胞便是实现新器官移植疗法的第一步。病人的体细胞不但来源十分有限,而且其较之健康人的体细胞往往更加孱弱,从而导致其重编程的效率大打折扣。黄禹锡的这项成果,堪称是敲响了医学新时代的钟声。

这种开挂般的神速让不少同行开始质疑其成果的真实性自从黄禹锡公布克隆人类胚胎干细胞的技术细节后,世界上还没有任何一家实验室能够独立重复出黄禹锡的结果。而就在新成果发表几个月后,黄禹锡突然遭人举报存在学术不端行为。尽管黄禹锡立刻声称对此并不知情,但是全球学术界还是迅速决定重新检查其成果。于是震撼整个生命科学界的黄禹锡事件从此拉开序幕。

反复检查之后,人们震惊地发现,黄禹锡团队创造的所谓克隆人类胚胎干细胞竟是镜花水月。黄禹锡与合作者在研究中学术造假、违背实验伦理、贪污科研经费等等劣迹都迅速被一一曝光出来。最终,黄禹锡所发表的关于克隆人类胚胎干细胞的所有论文被悉数撤回,而本人则辞去所有公职并因学术不端和贪污等罪名被判入狱18个月,缓刑两年。

自此之后,克隆人的话题渐渐退出了人们的茶余饭后的闲谈,甚至有些科学家也开始质疑人类胚胎干细胞是否真的可以通过克隆技术制造出来,因为当时对所有灵长类动物的克隆尝试最终都没有逃脱失败的命运。

而几乎与此同时,在与韩国隔海相望的日本,却升起了一颗耀眼的新星诱导性多能干细胞(Induced pluripotent stem cells,iPSC),这项技术自一出现就成了克隆技术最强有力的竞争对手一个是长期停滞不前且爆出丑闻的过气技术,一个是来势汹汹且前途无量的新生事物,于是大量的资源和智库开始被调离克隆技术领域。克隆仿佛成了一个被打入冷宫的妃子,曾经使科学界狂热的学术竞赛似乎从此归于寂静。

可是,有那么一批人依然坚信克隆人类胚胎干细胞并不是死路一条,仍旧在坚持不懈地尝试,再尝试

峰回路转:发现克隆的秘方

人类核移植重编程的失败和丑闻,和诱导性多能干细胞技术的逐步崛起,让人们对于克隆技术的关注逐渐冷淡了下来。然而,真正的英雄就在这个时候登上了历史舞台。

之前克隆的动物,比如绵羊、山羊、小鼠、大鼠、牛、狗等等,克隆技术细节往往可以互相参考,克隆绵羊的技术参数稍微修改一下就能用在小鼠身上。然而,其它哺乳动物的克隆技术参数都完全无法用在灵长类身上,这条道路注定是充满艰辛的。

科学家们的工作恐怕只能用单调来形容,他们在极为有限的理论指导下穷举着每一种可能有效的技术参数,用极为有限的灵长动物卵细胞不断地尝试,失败,再尝试很多人放弃了,但是每一次失败的尝试都为后人排除了一个错误选项,而每一丝进步都共同铺就坚持到底者的征途。

2007年,黑暗的道路上终于有了第一抹光明,带来这抹光明的使者,是美籍哈萨克斯坦科学家,维吾尔族人沙乌科莱特米塔利波夫(Shoukhrat Mitalipov)。这一年,米塔利波夫的团队成功克隆出了猕猴的胚胎干细胞在实验动物伦理允许的范围内,猕猴是与人类最为相似的实验动物,这项突破向世界宣告了克隆灵长类胚胎干细胞的可能性,克隆人类胚胎干细胞的热情被重新点燃。

沙乌科莱特米塔利波夫。图片来源:wikimedia.org

在克隆猕猴胚胎干细胞取得突破后,所有人都在期待着人类胚胎干细胞被成功克隆。但是大家等啊等,年复一年,克隆人类胚胎干细胞仿佛就是骡子前面的那根胡萝卜,分明近在眼前了,可就是怎么也吃不到。

2012年,体细胞核移植重编程技术的发明人约翰戈登和诱导性多能干细胞的发明人山中伸弥(Shinya Yamanaka)分享了当年的诺贝尔生理学或医学奖。诱导重编程多能干细胞技术日渐羽翼丰满,即将被应用在临床医学上造福普罗大众了,而有着近半个世纪研究史的克隆技术还只能在实验室里步履蹒跚地艰难前行。克隆学家们能做的,就只有尝试再尝试,改进再改进。他们中的大多数人只能给别人排除一些错误答案,然后慢慢消失在历史的烟尘中。但就是这些无私的奉献,最终叩开了克隆人类胚胎干细胞的大门。

令这些科学家意外的是,打开这扇大门的钥匙,其实一直就放在他们的桌上。

咖啡因,一种广泛存在于各种饮料中的成分,它能提升人的精力,让人更加专注于自己的工作。谁又能想到,这种出现在每个研究者杯中的小分子竟是克隆人类胚胎干细胞技术的关键所在。

2013年,米塔利波夫抱着试试看的心态在人类体细胞核移植的过程中使用咖啡因,结果看到了科学家们翘首期待的奇迹:用咖啡因处理过的克隆人类胚胎不但可以高效地完成重编程,而且由此得到的胚胎还有着史无前例的完美形态[7]。

未经咖啡因处理的人类克隆胚胎(左)和经过咖啡因处理的人类克隆胚胎(右)的形态对比。

为什么咖啡因会具有如此神奇的功效呢?还是用国王和臣民来打比方:体细胞核移植的过程相当于把卵细胞原来的国王驱逐,扶植了一个外来的新国王上位,但是政权更替毕竟是个大事,如果在此期间民心思变的话就会让国家陷入危机。而咖啡因的作用就相当于一个顾命大臣,这个顾命大臣可以在政权交接的时候努力安定民心,从而确保新国王可以顺利即位从分子生物学角度说,咖啡因是一种蛋白磷酸酶抑制剂,它可以暂时抑制卵细胞中的某些信号通路,让卵细胞在实验操作过程中保持稳定,因此可以让重编程的效率大为提升 。

至此,克隆人这个在科幻作品中争议了十多年的概念终于开始走近生活,利用克隆技术所得到的人类胚胎干细胞很快就将被尝试用于临床。这项在十多年间经历了大起大落的技术,终于迎来了它的春天。

如果把克隆技术比作一个人,他的人生实在是跌宕起伏。他出身于一种用于研究动物发育机制的花哨技术,在实验室中默默无闻地被应用了几十年。忽然一朝由于一只绵羊的降生而名动天下,在学术界内外掀起热潮,而后又因为一人的一念之差而备受冷落。幸而始终坚韧不屈,十年卧薪尝胆终磨一剑,再次获得众人的认可。天下技术,有如克隆这般传奇者,着实鲜有耳闻。

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