克隆的概念，意义与进展.doc

克隆的概念、意义与进展 很多人是从“多莉”的诞生才知道“克隆”这一名词的。其实，说“多莉”是一克隆动物，并不准确。克隆的真正生物学含义是什么，可能有些生物学工作者也不十分清楚。本文将对克隆的概念，意义和进展作一简单介绍。 1 克隆的概念 “克隆”是从英文“clone”音译而来，在生物学领域有3个不同层次的含义。 在分子水平，克隆一般指DNA克隆(也叫分子克隆)。含义是将某一特定DNA片段通过重组DNA技术插入到一个载体(如质粒和病毒等)中，然后在宿主细胞中进行自我复制所得到的大量完全相同的该DNA片段的“群体”。 在细胞水平，克隆是指由一个单一的共同祖先细胞分裂所形成的一个细胞群体。比如，使一个单一细胞在体外的培养液中分裂若干代所形成的一个遗传背景完全相同的细胞集体即为一个细胞克隆。又如，在脊椎动物体内，当有外源物(如细菌或病毒)侵入时，会通过免疫反应产生特异的识别抗体。产生某一特定抗体的所有浆细胞都是由同一个B细胞分裂而成，这样的一个浆细胞群体也是一个细胞克隆。 在个体水平，克隆是指基因型完全相同的两个或更多的个体组成的一个群体。比如，两个同卵双胞胎即为一个克隆！因为他／她们来自同一个受精卵细胞，所以遗传背景完全一样。后面要讨论的通过细胞核移植所得到的一个遗传背景完全相同的动物或植物群体也是一个克隆。但是，按此定义，“多莉”并不能说成是一个克隆！因为“多莉”只是孤单的一个。只有当那些英国胚胎学家能将两个以上完全相同的细胞核移植到两个以上完全相同的去核卵母细胞中，得到两个以上遗传背景完全相同的“多莉”时，才能用克隆这个词来描述。所以在那篇发表于1997年2月出版在《Nature》杂志上的轰动性论文中，作者并没有把“多莉”说成是一个克隆。 另外，克隆也可做动词用，意思是指获得以上所言DNA、细胞或个体群体的过程。 2 DNA克隆 在本世纪50年代初，生物学家对遗传物质的载体是 DNA(而不是以前长期所认为的蛋白质)这一事实已经没有什么疑问了；对DNA的化学组成(4种核苷酸通过磷酸二酯键共价连接而成的长链分子)和分子结构(双螺旋)也有了清楚的认识。但是，对于如何研究分布在这些长链DNA分子上的一个个基因的特异结构和功能却无计可施。70年代中期出现的重组DNA技术使基因研究“柳暗花明”。重组DNA技术是将两段或更多的DNA分子进行特异的切割和重新连接的过程。出现这一技术的关键是限制性内切酶，在细菌中的被发现。有一类限制性内切酶(现在已经有几百种被鉴定)，其中的每一种都可以识别一段特异的DNA序列(一般为4～8个核苷酸组成)，并将所识别序列以特定的方式进行双链切割。在细菌细胞内，这些限制性内切酶的主要作用是破坏(限制)入侵的外来 DNA分子(如病毒 DNA)。细菌可以通过修饰自己的特异DNA序列而防止自身的DNA被限制性内切酶所破坏。重组DNA技术中的另一关键蛋白是能把两段DNA分子连接成一段的所谓DNA连接酶。 现在进行DNA克隆的方法多种多样，这里介绍一下其典型的过程(图1)。 首先需要获得DNA载体。DNA载体开始是由能够在宿主细胞中自我复制的分子量较小的质粒(为环状)或病毒经过人工改造而成。在过去的30多年的时间内，基于对DNA结构和功能的更多了解，通过重组DNA技术，科学家对DNA载体进行了多种多样的巧妙设计和改造，以适合不同应用的需要。比如，大量用于人类基因组工程研究的酵母人工染色体(YAC)就是基于对酵母染色体的结构和功能的了解而研制的，可以接受很长外源DNA片段的DNA载体。要进行克隆的外源DNA可以来自细胞核中的染色体(即所谓基因组DNA)，也可以来自从信使RNA经反转录而成的cDNA。经限制性内切酶切割的外源DNA片段在DNA连接酶的帮助下即可插入到经相同的限制性内切酶切割的载体DNA中，形成重新组合了的“重组DNA”。重组的DNA转入宿主细胞内后，进行大量复制，从而得到所插入DNA片段的分子克隆。 这样得到的DNA克隆可以应用于生物学研究的很多方面，包括对特异DNA的碱基顺序的分析和处理，以及生物技术工业中有价值蛋白质的大量生产等等。 3 生物个体的克隆 3．1 细胞分化问题 高等生物的发育是一个奇妙的过程。其中的一个重要方面是细胞的分化现象。受精卵细胞分裂的初期产生的后代细胞之间没有太大的差异。随着发育过程的进行，分裂产生的后代细胞之间逐渐出现差异，到发育成熟时，不同细胞(如神经细胞和肝脏细胞)的形状和功能千差万别。早期的一个假说认为细胞分化是细胞核中的遗传物质DNA不断丢失的结果。在分子生物学家对分化产生的不同细胞DNA进行分析之前，植物细胞的体外培养实验和动物细胞的细胞核移植实验已经将该假说推翻了！ 3．2 植物细胞的全能性 在本世纪50年代，植物学家用胡萝卜为模型材料，研究了分化的植物细胞中遗传物质是否丢