2012年9月,俄韓簽署協(xié)議共同克隆已經(jīng)滅絕的猛犸象。
新聞背景
英國《新科學(xué)家》雜志在2017年科技進展預(yù)測中提出,借助基因和干細胞技術(shù),大量瀕臨滅絕的動物將在2017年得到挽救,甚至一些已經(jīng)滅絕的物種也能借助近親基因重回地球。不久的將來,人類或許會重建生活著大量冰河時代動物的“更新世公園”。
推算DNA半衰期為521年
盡管這一科學(xué)前景十分誘人,但要實現(xiàn)起來有不少困難。對于復(fù)活已經(jīng)滅絕的物種,首先最主要的困難是,要提取到它們的DNA(脫氧核糖核酸)才有可能借助干細胞和克隆技術(shù)復(fù)活滅絕動物。但是,滅絕動物的DNA一是難于發(fā)現(xiàn),二是可能難以提純。例如,克隆和復(fù)活滅絕的猛犸象等動物就存在這種難題。
這個難題表現(xiàn)在,DNA會隨時間的推移而消失,具體表現(xiàn)為半衰期的長短。
DNA的半衰期,是指一個已經(jīng)死亡生物的DNA核苷酸骨架之間的化學(xué)鍵半數(shù)降解掉所需的時間。如果一個生物的DNA在一定時間之后處于半衰期,則意味著這一生命體的遺傳信息有一半已經(jīng)丟失,要克隆這樣的滅絕動物會很困難。
丹麥哥本哈根大學(xué)的莫頓·艾倫托夫特和澳大利亞佩斯市默多克大學(xué)的默克爾·邦斯等人,在2012年12月的英國《皇家學(xué)會學(xué)報B》上,以“骨骼DNA的半衰期:對158塊陳舊化石的衰敗活性的測量”為題,發(fā)表了一項關(guān)于動物DNA半衰期的研究結(jié)果。他們對屬于3種已經(jīng)滅絕的古代巨鳥(恐鳥,1800年滅絕)的含有DNA的158根腿骨化石進行了研究,推算出DNA的半衰期為521年。根據(jù)這項研究的推論,即便在-5 的最理想條件下保存,DNA的化學(xué)鍵最多經(jīng)過680萬年就會分解得一個不剩。
通常,一種生物死亡后就會腐爛分解,其中起分解作用的有外界微生物,還有生物體內(nèi)部的酶。但是,死亡生物體與水的反應(yīng),才是造成生物體DNA化學(xué)鍵分解的主要原因。無論環(huán)境怎樣,只要死亡生物掩埋于地下,就會與地下水發(fā)生反應(yīng),并按一定的速度降解。但是,要了解一般情況下生物DNA平均降解的速度或速率非常困難,因為很少能找到大量的殘骸DNA來做比較研究。
研究人員認為,保存在冰川中的DNA被毀掉要花費更長的時間。比如,一根骨骼保存在-5 的理想溫度下,其DNA中的化學(xué)鍵被毀掉的最長時間可以達到約680萬年,但大約在150萬年后,剩下的DNA鏈便因為太短而無法傳遞有意義的信息,因此這些DNA的信息是無法讀取的,所謂克隆也是一種夢想。
由此也提示,過去認為能從恐龍和密閉的琥珀中的古昆蟲提取DNA并復(fù)活它們的想法并不現(xiàn)實,因為恐龍距今至少6500萬年,而琥珀中的古昆蟲的年齡也在500萬年至1億年。在這么久遠的年代,DNA中的化學(xué)鍵早就降解了?,F(xiàn)在找到的最古老的DNA是昆蟲和植物的,時間大約在45萬至80萬年前的古冰川期。
這也是克隆1萬年前滅絕的猛犸象極為困難的原因,這取決于從猛犸象殘骸中提取的DNA是否過了半衰期而半數(shù)降解或大部分降解。
復(fù)活滅絕動物的兩例嘗試
如果能提取到滅絕動物的未超過半衰期的DNA,則復(fù)活滅絕動物就比較容易一些?,F(xiàn)在,澳大利亞研究人員克隆出了一個活了幾天的胃育溪蟾胚胎,盡管克隆出的胃育溪蟾并沒有長成蝌蚪和幼蛙,但這已經(jīng)是復(fù)活滅絕動物的開創(chuàng)性成就。胃育溪蟾是于1984年已經(jīng)滅絕的動物,它們的DNA被保存了30多年。
胃育溪蟾是中等身型的蛙類,呈深灰色,背部有細小的疙瘩。雌蛙較雄蛙大,雌蛙長約44-54毫米,雄蛙長約33-41毫米。
澳大利亞悉尼的新南威爾士大學(xué)古生物學(xué)家邁克·阿徹和保護生物學(xué)家邁克爾·馬赫尼等人從事的“拉扎勒斯項目”,就是專門復(fù)活胃育溪蟾的。不過,被用于克隆的滅絕胃育溪蟾的DNA,并非是其1984年滅絕后從其殘骸中提取保存的,而是在其瀕臨滅絕的1979年由澳大利亞阿德萊德大學(xué)的邁克·泰勒將胃育溪蟾的部分包含DNA的組織保存到了冷凍器中。
阿徹等人采用與產(chǎn)生克隆羊多利相似的技術(shù),即體細胞核轉(zhuǎn)移技術(shù)來復(fù)活胃育溪蟾。2013年初,研究人員以澳洲的大青蛙為供卵者,在提取大青蛙的卵子后,用紫外光滅活大青蛙的細胞核,然后把保存的已滅絕的胃育溪蟾的DNA,植入細胞核已滅活的大青蛙卵子中。結(jié)果,幾周后,有一個卵子活動起來,而且存活了3天,長成了一個囊胚。經(jīng)過DNA檢測證明,這個囊胚包含的遺傳物質(zhì)是胃育溪蟾的。
復(fù)活滅絕動物的另一例嘗試是,西班牙研究人員于2009年克隆了一只已經(jīng)滅絕的布卡多野山羊。研究人員認為,布卡多野山羊在2000年前就滅絕了,但是在1999年西班牙研究人員追蹤并捕獲到世界上最后一只叫做希里亞的13歲布卡多雌野山羊,意識到這種野山羊的珍貴性后,研究人員從野山羊的耳朵上采集了它的皮膚細胞冷凍儲藏起來,然后將其釋放。幾個月后,希里亞被發(fā)現(xiàn)死在一棵倒下的樹旁,這也意味著布卡多野山羊是最近才滅絕的。
隨后,西班牙薩拉哥薩大學(xué)的喬希·弗奇等人把保存的布卡多野山羊的皮膚細胞的細胞核,植入到家養(yǎng)山羊去除了細胞核的卵子中,通過電擊讓卵子發(fā)育,成為重組胚胎。實驗進行了兩次,有7只家養(yǎng)山羊成功懷孕,但最后僅有1只雌性布卡多野山羊出生,并且是以剖腹產(chǎn)方式娩出。最后,這只新出生的野山羊患有先天性肺部缺陷,在出生7分鐘后因呼吸困難而死亡。經(jīng)檢測,這只克隆的小羊羔的基因和布卡多野山羊的基因一致,從而被認定為是一次短暫的成功的克隆。弗奇等人的研究結(jié)果發(fā)表在2009年4月的美國《獸醫(yī)學(xué)》雜志上。
然而,這兩例對滅絕動物的克隆,實際上還是對存活的瀕危動物的克隆,因為它們的細胞都是在其生前提取并保存在實驗室中的。
克隆死亡不久的動物已有先例
那么,克隆動物的細胞都必須在生前提取嗎?可喜的答案是,不??寺倓偹劳龅膭游锼坪跬耆珱]有問題,因為DNA還不會降解。
例如,韓國濟州國立大學(xué)的樸世弼等人于2010年用一頭已死亡的牛的細胞克隆了一頭小牛,從而讓這頭死牛起死回生。不過,他們利用了冷凍技術(shù)。
2007年,樸世弼等人將一頭剛剛死亡的牛的細胞核植入一些去核卵細胞中,再利用體外授精技術(shù)創(chuàng)造了一個牛胚胎,并將其保存在-196 冷庫中。2010年1月,研究人員將胚胎取出解凍,并將其植入另一頭母牛的子宮中,這頭母牛于同年10月通過自然分娩產(chǎn)下了一頭克隆牛。小牛的基因組與那頭死去的牛完全相同。
因此,目前研究人員最有可能克隆近期死亡的動物,因為它們的DNA尚未降解。而且,世界各國也有一些研究人員陸續(xù)克隆了一些剛剛死去的動物。如2003年9月,巴西研究人員克隆了一頭在事故中死亡的荷蘭種奶牛。2010年7月,美國加利福尼亞州斯克里普斯研究所和圣地亞哥動物園聯(lián)合研究組,成功利用一只已經(jīng)死亡的鬼狒的皮膚細胞制造出了這種瀕危動物的干細胞。雖然美國研究人員并未克隆出已經(jīng)死亡的鬼狒,但制造的干細胞已經(jīng)是克隆的前身了。
挽救和復(fù)活瀕危動物要比滅絕動物容易得多,因為至少還可以提取前者的DNA進行克隆,甚至提取它們的生殖細胞用輔助人工生殖技術(shù)進行孕育。
例如,北方白犀牛已經(jīng)瀕臨滅絕,剩下不能生育的3只生活在肯尼亞。我們可以提取白犀牛的生殖細胞進行人工授精,發(fā)育成胚胎后再移植到水?;蚰膛4心赣H體內(nèi)孕育,足月后就可分娩出白犀牛。用干細胞、冷凍物種和輔助生殖等技術(shù),新犀牛有望在2017年出生。
克隆已經(jīng)死亡的動物沒有問題,當(dāng)然也給復(fù)活滅絕動物提供了希望。目前正在進行的引人注目的一項研究就是,通過向亞洲象的卵細胞加入猛犸象DNA,試圖將滅絕的猛犸象克隆出來。
盡管克隆是挽救滅絕動物的一種充滿希望的方式,但是,如果滅絕動物死亡年代久遠,超過其DNA的半衰期,克隆就可能是一種神話。當(dāng)然,另一個需要回答或解決的問題是,滅絕動物即便克隆出來,它們能適應(yīng)今天的環(huán)境而生存下來嗎?
責(zé)任編輯:劉微
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