什么是克隆

通过克隆这一科学过程，可以产生一个生物实体的精确基因复制品。这可以应用于单个细胞或整个物种。克隆是一个跨越遗传学、分子生物学和生物技术等多个领域的概念。它对农业、医学和伦理学具有重大影响。要理解克隆，必须考察其各种形式、技术、用途和伦理问题。

克隆的历史

克隆拥有跨越数个世纪的迷人历史，其特点是重大的科学突破和道德争议。在其最基本的形式中，克隆是指制造任何生物物品（无论是基因、细胞还是完整的生物体）的精确复制品的过程。这个概念随着时间的推移发生了显著变化，现在已成为生物技术和医学研究的基本组成部分。

早期理论和发现

尽管科学上尝试克隆可以追溯到20世纪初，但克隆的概念自古就有。1902年，德国胚胎学家汉斯·斯佩曼（Hans Spemann）在蝾螈胚胎上进行了开创性研究，证明了将一个胚胎分成两个独立的、相同的个体是可行的。这项实验为理解细胞分化和制造生物体精确复制品的可能性奠定了基础。

20世纪中叶的发展

1952年，罗伯特·布里格斯（Robert Briggs）和托马斯·金（Thomas King）成功克隆了一只青蛙，这是克隆领域的一项重大进展。他们通过将一个胚胎青蛙细胞的细胞核转移到一个去核的卵细胞（即已去除细胞核的卵细胞）中，制造了一只蝌蚪。这个实验表明，生物体发育所需的所有信息都包含在细胞核中的遗传物质里。

到20世纪60年代，英国发育研究员约翰·戈登（John Gurdon）通过克隆来自分化细胞核的青蛙，进一步推进了这项科学研究，证明了特化细胞可以被重新编程以形成一个完整的生物体。由于他开创性的突破，戈登于2012年获得了诺贝尔奖，并为进一步的克隆研究铺平了道路。

多莉的诞生与动物克隆的开端

克隆历史上最著名的转折点是1996年，多莉羊——第一只通过成年体细胞克隆的哺乳动物——诞生了。根据苏格兰罗斯林研究所的伊恩·威尔穆特（Ian Wilmut）和基思·坎贝尔（Keith Campbell）领导下的研究人员，通过体细胞核移植（SCNT）技术，将一只成年羊的乳腺细胞核转移到一个去核的卵细胞中。多莉的诞生彻底改变了生物科学，并为遗传学研究和生物技术开辟了新方向，证明了分化后的成年细胞可以被重新编程以发育成新的生物体。

生殖克隆和治疗性克隆的发展

多莉诞生后，克隆技术领域迅速发展，使得克隆了包括狗、猫、猪和牛在内的许多不同物种成为可能。这些成就凸显了克隆在保护、医学和农业领域的适应性和潜在用途。

培养与供体生物体基因相同的胚胎干细胞是治疗性克隆这一有前途的领域的目标。为了利用SCNT技术制造胚胎并提取干细胞以制造组织或器官用于医疗用途，采用了这种方法。治疗性克隆有可能彻底改变再生医学，通过制造与每个患者独特的组织来降低免疫排斥的可能性，从而治疗包括糖尿病、帕金森病和脊髓损伤在内的疾病。

克隆在保护和农业中的应用

农业广泛采用克隆技术来生产具有期望特性的动物，如改善的肉质、更高的产奶量或抗病能力。通过这种方法可以提高农业生产力和粮食安全。此外，克隆对于保护濒危物种至关重要。科学家们希望通过克隆濒危物种个体来改善保护工作并提高遗传多样性。

鉴于这些担忧，许多国家已实施法律来规范克隆研究及其用途。例如，联合国于2005年通过了一项决议，规定禁止人类克隆，但允许在非常特定的条件下为治疗目的进行克隆。不同国家有不同的法律；一些国家允许为医疗和农业用途进行克隆，而另一些国家则有严格的禁令。

当代克隆技术及其前景

生物技术和基因工程的最新进展增加了克隆的应用潜力。CRISPR-Cas9基因编辑等技术使得精确的基因材料修饰成为可能，从而提高了克隆程序的精确性和效率。这些技术有可能促进对遗传学和发育的科学理解，并创造新颖的药物疗法和改进农业运营。

伦理和监管挑战

克隆技术的进步伴随着伦理和监管方面的挑战。克隆人类的想法尤其具有争议性，引发了关于身份、个体性和制造基因相同人类的道德含义的深刻伦理问题。关于克隆动物的福利也引起了担忧，因为这个过程可能导致高流产率、畸形和过早死亡。

克隆的类型

基因克隆

定义：这个过程，有时也被称为分子克隆，涉及复制基因或 DNA 片段。

方法：通常，研究人员会取一个感兴趣的基因并将其插入到一个载体中，例如质粒，然后将其引入宿主细胞（如细菌）。在这个过程中，基因会被宿主细胞复制。

应用：基因克隆对遗传学研究至关重要，因为它使研究人员能够生产蛋白质（如胰岛素）和基因改造生物体，并研究单个基因的作用。

生殖克隆

定义：通过这种类型的克隆产生的生物体具有与供体生物体相同的基因组成。

方法：最常用的方法称为体细胞核移植（SCNT），即将一个非生殖体细胞的细胞核转移到一个去核（或无核）的卵细胞中。之后，卵细胞发育成胚胎，然后将其置于代孕母体内。

应用：动物生殖克隆已经实现，其中最著名的是1996年克隆了多莉羊。它在医学研究、农业和保护濒危物种方面具有潜在用途。

治疗性克隆

定义：为了制造用于医疗治疗和研究的胚胎干细胞，这项技术涉及到制造与供体生物体基因相同的胚胎干细胞。

方法：与生殖克隆类似，使用SCNT创建胚胎；然而，胚胎的干细胞被取出并用于构建组织或器官，而不是植入代孕母体内。

应用：通过制造不易被受体免疫系统排斥的移植组织或器官，治疗性克隆可能有助于再生医学的进步。

体细胞核移植（SCNT）克隆方法

SCNT是治疗性和生殖克隆的基本方法。它包括将体细胞的细胞核插入去核的卵细胞中，该卵细胞随后发育成胚胎。多莉羊就是使用这种著名的技术克隆的。

胚胎分裂

这种方法复制了同卵双胞胎自然产生的方式。早期胚胎分裂成两个或更多个独立的胚胎，每个胚胎都有可能发育成成体。动物育种是这种技术的主要应用。

人工双胞胎

人工双胞胎技术类似于胚胎分裂，它涉及到机械地分离早期胚胎的细胞，并让它们发育成独立的、基因相同的胚胎。动物育种研究也采用这项技术。

克隆在医学研究中的用途

克隆程序可以使用基因相同的动物进行研究，同时确保实验结果的一致性。通过治疗性克隆制造患者特异性干细胞，有望治疗帕金森病、阿尔茨海默病和脊髓损伤等疾病。

农业

通过克隆可以生产出具有期望特性的基因优良的牛，例如改善的肉质、更高的产奶量或抗病能力。此外，它还使得保存珍贵和稀有的基因系成为可能。

保护

通过生产濒危物种的基因复制品，克隆为保护濒危物种提供了一种可行的方法。

生物制药

由于基因克隆，现在可以大规模生产用于治疗各种疾病的蛋白质和激素，如胰岛素和生长激素。

需要考虑的道德方面

围绕克隆的许多道德问题极具争议，并在伦理学家、科学家和公众之间引发讨论。

动物福利

克隆程序（尤其是SCNT）可能导致克隆动物高流产率、畸形和过早死亡，这引发了对动物痛苦的担忧。

克隆人类

克隆人类是一个极具争议的概念。潜在的剥削、遗传多样性的丧失以及制造具有预定基因身份的人类的道德含义是伦理问题。

生命多样性

虽然克隆可以帮助保护濒危物种，但过度依赖这种做法可能会降低遗传多样性，并增加物种对疾病和环境变化的易感性。

个体性和身份

特别是对于生殖克隆而言，克隆挑战了个体性和身份的概念。制造基因相同的人类或动物的可能性引发了关于克隆的个体性和能动性的担忧。

如何克隆基因？

制造特定基因或 DNA 片段副本的过程称为基因克隆，有时也称为分子克隆。在遗传学、生物技术和医学中，许多应用都依赖于这种机制。克隆基因过程的基本步骤包括分离目标基因、将其插入载体、将载体引入宿主细胞以及识别已成功整合了该基因的细胞。这是对基因克隆过程的全面描述：

目标基因的分离

分离目标基因或 DNA 片段是克隆过程的第一步。有几种方法可以做到这一点：

聚合酶链式反应（PCR）是一种扩增特定 DNA 序列的方法。它使用引物（与目标区域互补的短 DNA 序列）启动 DNA 合成。通过反复加热和冷却循环，可以指数级扩增 DNA 片段。

限制性内切酶消化：称为限制性内切酶的蛋白质可以在特定序列处切割 DNA。这些酶允许科学家从更大的 DNA 分子（如质粒或基因组 DNA）中移除目标基因。

插入载体

分离出目标基因后，必须将其插入克隆载体。载体是能够将外源 DNA 引入宿主细胞并进行复制的 DNA 分子。常用的载体包括质粒、噬菌体和人工染色体。插入过程涉及多个步骤：

连接：为了产生兼容的末端，使用相同的限制性内切酶切割分离的基因和载体。然后使用 DNA 连接酶（一种连接 DNA 片段的酶）将基因和载体共价连接起来。

重组 DNA：插入到载体中的目标基因存在于重组 DNA 中，这是连接的结果。

在宿主细胞中启动

必须将重组 DNA 传递到宿主细胞中，以便它能够表达和复制。对于细菌细胞，这个过程称为转化；对于真核细胞，它称为转染。有几种方法可以做到这一点：

热激：将重组 DNA 与感受态细胞（经过处理以促进 DNA 摄取的细菌）混合，然后对细菌细胞进行快速热激。结果，细菌细胞膜变得多孔，允许 DNA 通过。

电穿孔：该技术通过施加电场在细胞膜上产生瞬时孔，以便重组 DNA 通过。

脂质转染：在脂质转染中，DNA 通过与基于脂质的试剂形成脂质体来递送到真核细胞中。这些脂质体随后与细胞膜融合。

选择成功转化的细胞

由于并非所有细胞都会摄取重组 DNA，因此识别和选择已成功转化的细胞至关重要。选择性标记器是对此很有用的工具：

抗生素抗性：许多载体含有抗生素抗性基因。转化后，将细胞在含有相应抗生素的培养基上培养。只有那些已将其抗生素抗性基因整合到其 DNA 中的细胞才能存活。

报告基因：某些载体包含报告基因，例如绿色荧光蛋白（GFP）基因，在紫外光下会使细胞发光。通过寻找荧光信号，可以区分出携带重组 DNA 的细胞。

检查和评估

在选择成功的转化细胞后，验证目标基因是否正确插入并且功能正常至关重要。这需要多种策略：

菌落 PCR：为了确定细菌菌落中是否存在目标基因，可以直接对菌落进行 PCR。

限制性分析：为了确认基因已正确插入，从转化细胞中提取质粒 DNA 并使用限制性内切酶进行消化。

DNA 测序是验证插入基因的方向和序列最精确的技术。

纯化和表达

生产由克隆基因编码的蛋白质通常是基因克隆的最终目标。为了实现这一点，执行以下步骤：

表达：宿主细胞在支持基因表达的环境中进行培养。为了实现这一点，经常使用含有强启动子的载体来驱动高水平的基因表达。

蛋白质纯化：蛋白质表达后，必须使用宿主细胞来提取它。可以通过诸如亲和层析等方法分离蛋白质，在该方法中，蛋白质以特异性方式与树脂结合。