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一項近期的研究旨在利用基因新技術創造出具有草原松雞性腺的家養雞，讓圈養雞能夠生產草原松雞的卵

攝影: Ravi Hirekatur

今年早些時候，科學家宣布他們首次成功克隆了一種瀕臨滅絕的北美物種，一只取名叫伊麗莎白·安的黑足鼬(Mustelanigripes, 也稱黑腳雪貂），這只黑足鼬的基因來自一只名叫威拉黑足鼬個體，它死于30多年前。伊麗莎白.安于2020年12月10日通過剖腹產出生。如果沒有克隆技術以及那些冷凍威拉DNA的研究人員前瞻性的幫助，它的基因將永遠不復存在。伊麗莎白·安的出生為黑腳雪貂圈養繁殖計劃帶來了新的遺傳多樣性，而且這也是幫助其他瀕危物種的重要一步。

保護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來自少數個體的物種，科學界稱之為遺傳瓶頸，要么是現在已經瀕臨滅絕的物種。盡管伊麗莎白·安的出生證明了克隆技術對高危哺乳動物的潛在希望，但就鳥類保護而言，情況就不同了。

近期被成功克隆的黑足鼬伊麗莎白·安

攝影: USFWS National Black-footed Ferret Conservation Center

“我們現在經常被問到，克隆技術什么時候能用到鳥類身上？”本·諾瓦克是恢復與保護組織的首席科學家，正是該組織引領了在黑腳雪貂克隆工作方面的努力。諾瓦克說，答案可能是永遠都不可能在鳥類中進行克隆。

要理解這其中的原因，首要的是要了解克隆是如何工作的。獲得克隆個體的方法不止一種，但著名的綿羊多莉和制造伊麗莎白·安所使用的的技術被稱為“體細胞核移植”。這一過程包括交換卵細胞的遺傳信息，并用供體個體的DNA替換。首先，研究人員將卵細胞置于顯微鏡下。然后，他們瞄準細胞中包含絕大多數遺傳信息的細胞核。他們小心地吸出細胞核，使卵細胞失去遺傳密碼。這意味著卵細胞現在是空白的，準備用一套新的指令來填充。

下一步是植入他們想要克隆的個體的體細胞或細胞核，其中包含供體的遺傳物質。一旦新細胞及其指令進入卵子內，研究人員通過電擊震動來激勵這兩種細胞融合在一起。如果一切正常，這會誘使卵細胞認為自己已經受精，并開始分裂和繁殖，并形成胚胎。在皮氏培養皿中生長一段時間后，產生的胚胎可以植入代孕母親的子宮中，代孕母親將生下克隆個體。

在真實實踐中，這些核移植中只有很小一部分產生了可存活的胚胎，并最終成為成年動物。即便如此，自從1996年綿羊多莉證明克隆技術可行以來，許多哺乳動物甚至野生物種，如鹿、灰狼和獼猴，都以這種方式被克隆出來。但是，從來沒有成功克隆過一只鳥。

到目前為止，鳥類無法被成功克隆有幾個原因。最大的障礙是什么？圣地亞哥動物園野生動物聯盟的生殖科學家湯姆·詹森說，“就是你每天早餐上吃的----蛋黃。”

詹森解釋說，用哺乳動物卵細胞進行細胞核交換非常容易，卵細胞的直徑約為人類毛發直徑的1到3倍。這些微小卵子是在顯微鏡下滑動的完美尺寸，科學家可以在顯微鏡下找到包含DNA的微小細胞核。但是在鳥類中，我們稱之為卵黃的卵細胞要大得多。包含鳥類所有DNA的細胞核就是卵黃中間的一個微小的白點，胚胎最終會從中生長出來。

卵黃基本上是鳥類胚胎從媽媽那里得到的盒飯，為它提供了最終成長為準備孵化的小鳥所需的所有營養。這種安排非常有效，但它也為試圖克隆鳥類的科學家提出了兩個主要課題。首先，卵黃的大小使它無法在顯微鏡下進行必要的工作。第二，即使科學家可以在顯微鏡下觀察卵黃，發現漂浮在卵黃某處的微小細胞核也是極具挑戰性的。諾瓦克將這一過程描述為“在牛奶池中尋找一塊白色石頭” 。

卵子的另一個問題是，一旦卵黃離開卵巢，它總是在移動。在哺乳動物的典型克隆過程中，研究人員可以將胚胎插入代孕母親的子宮中，讓其生長。鳥類沒有這樣的孵化室。在卵黃形成后，它掉入一種叫做輸卵管的東西中，從那里向下移動，并同時開始裝配，首先是蛋清，然后是蛋殼膜。沒有類似子宮的地方可以植入鳥類克隆胚胎。

詹森說：“從技術上講，哺乳動物比鳥類容易得多。所以，我不認為核移植技術是我們可以用在鳥類保護上的有效方法。”

目前，由于不具備冷凍保存鳥類細胞并在之后進行克隆的能力，在出現遺傳瓶頸或物種嚴重瀕危的情況下，鳥類沒有像哺乳動物那樣的科學故障保險。然而，詹森希望一種不同的新興基因技術能夠對瀕危鳥類發揮類似的作用。這項研究的重點不是創造一個完整的克隆體，而是改變生產雛鳥的種類。這就要求研究人員關注鳥類的睪丸和卵巢，也稱為性腺。詹森說：“我們不在乎（宿主物種）看起來是否像受體動物，我們關心的只是它的性腺與我們正在克隆的動物是相同的，對于鳥類的克隆，我們可以僅僅是克隆性腺。”

鳥類克隆的答案取決于一種叫做“原始生殖細胞”或PGC的東西。這基本上是一個花哨的術語，指的是那些最終要變成精子和卵細胞的細胞。克隆哺乳動物需要將一個個體的DNA植入一個卵子，并產生一個后代，即供體的基因復制品。而通過PGC技術，我們的目標是創造一個生殖腺含有另一物種DNA的替代物。研究者將這些雜交動物稱為嵌合體。

為了制造嵌合體，研究人員小心地將供體中的PGC植入正在發育的宿主胚胎中。然后，PGC會遷移到宿主胚胎的性腺。如果一切按計劃進行，寄主將會長大至成年，并產生出含有捐贈者DNA的精子或卵子。

例如，你可能有一只做為宿主的家養公雞，它可以產生帶有草原松雞(Tympanuchus cupido)DNA的精子。如果這只公雞與一只雌性草原松雞交配，那么這只母雞就可以生產出純種的草原松雞，而不是松雞和家雞的雜交后代。這種方法的好處是，理論上，一個寄主父母可以在其一生中用供體的DNA產生許多后代，而不是通過克隆只能產生單個個體。而且，只要研究人員能夠冷凍保存這些PGC，這一樣可以從很久以前死去的捐贈者那里帶回DNA。

問題是PGC技術比克隆技術要復雜得多，有更多的步驟可能出錯，所以它仍在開發之中。然而，研究人員已經取得了一些進展，希望有一天這項技術能夠用于自然保護。

到目前為止，大部分研究都涉及家養雞。幾組研究人員已經成功地將PGC從一種家雞轉移到另一種家雞，并用供體DNA產生后代。

詹森和他的團隊正在研究是否可以將來自死亡個體的干細胞用于這項技術，并試圖找出捐贈者和宿主物種在基因上的距離。到目前為止，所有他的實驗室通過實驗導入到雞胚胎中的細胞，都像預期的那樣遷移到了性腺中。詹森說：“這是一個非常非常好的跡象，我們可以在多個物種甚至遠緣物種之間進行研究。盡管我們還沒有孵化出任何小雞來驗證精子生產的功能。”

與此同時，恢復與保護組織正在生產考慮以保護為目的的種間嵌合體的制造。更具體地說，他們正處于讓家雞產生更多草原松雞精子的初步階段。德克薩斯農工大學的研究人員羅斯瑪麗·沃爾澤姆目前正在領導這些工作。她的實驗室飼養了一群草原松雞，今年春天她的團隊希望仔細提取一些原始生殖細胞（這本身就是一項棘手的任務），最終嘗試將其引入家雞。他們的想法是用一種與家養雞密切相關的物種來完善這一過程，然后將他們掌握的技術和知識應用于瀕危甚至滅絕的物種。

最終，這項技術可能有助于改善像加州禿鷹(Gymnogyps californianus)或美洲鶴(Grus Americana)這樣的物種的遺傳多樣性，目前這些物種只是少數個體的后代。詹森認為：“幾乎任何一項繁育計劃，只要你能在幾十年后把一個個體帶回來，都會從這種多樣性發展中受益。”

理想情況下，這項技術最好永遠也沒有必要使用。保護物種的最佳方法是保持物種豐富，棲息地和生態系統完好無損。但在最壞的情況下，它可能是一個有價值的工具。詹森和諾瓦克說，他們最終希望這項技術能夠發展到研究人員可以用霧網捕捉野生鳥類，提取它們的原始生殖細胞，然后釋放它們。這些細胞可以儲存起來，也可以立即放入宿主中繁殖更多的物種，而不必將野生種群實施圈養人工繁殖。但雙方都承認，這一愿景還有很長的路要走。“我們的目標非常雄心勃勃，但我們認為它是可行的。”

(本文略異于以往科普短文, 有一些技術含量, 因此也查閱了若干相關資料, 并咨詢了相關專家，力圖在科技詞匯乃至科學原理上不要鬧太多笑話。如有不妥，請留言指正。----編譯者)

編譯整理自Audubon網站 Science 專欄

原文作者: Rachel Fritts