2025年5月，一頭體重26公斤的克隆犏牛犢于在西藏自治區(qū)拉薩市曲水縣實驗站順利降生。這是全球首例體細胞克隆犏牛，標志著我國在高原家畜克隆領(lǐng)域邁入世界領(lǐng)先行列。就在今年，我國還成功培育生產(chǎn)了一頭體細胞克隆的延邊牛及牦牛。這三種牛分別代表了優(yōu)良肉牛（延邊牛）、雜交優(yōu)勢品種（犏牛）和高原良種牛（牦牛）。這一系列成果背后的技術(shù)就是體細胞克隆。

出生后兩個月的體細胞克隆犏牛

（圖片來源：中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所）

克隆延邊牛

（圖片來源：中國新聞網(wǎng)）

自從1996年體細胞克隆的綿羊多莉誕生之后，越來越多的動物被成功克隆——從2001年中國克隆的渤海黑牛品系“康康”誕生，再到之后的普通獼猴、黑足鼬、北極狼以及警犬，甚至是已滅絕的比利牛斯山羊?？寺〖夹g(shù)正在悄然地改變著動物保護和育種的未來。

北極狼?？寺〉谋睒O狼（原名瑪雅）本體出生于2005年，卒于2021年，其克隆個體“瑪雅”隨后誕生；2022年秋天，另一只克隆北極狼“哈爾”在江蘇省出生。圖片中的北極狼并非克隆個體。

（圖片來源：作者拍攝于北京野生動物園）

那么，什么是克隆技術(shù)？為什么要克隆動物呢？這看似簡單的兩個問題背后，卻蘊含著生物科技發(fā)展的重大意義。讓我們從科學原理到實際應用，來一探這項神奇技術(shù)的究竟。

克隆及其操作過程

要理解克隆技術(shù)，我們得先回到1996年。那一年，一只叫“多莉”的綿羊誕生，她是世界上第一只用體細胞克隆技術(shù)成功培育出的哺乳動物。曾經(jīng)引起過全世界的關(guān)注，其案例還出現(xiàn)在了諸多教科書中。

哺乳動物體細胞克隆的過程簡單來說，就是把一只動物的體細胞（例如皮膚細胞）的細胞核，植入到另一只去除了卵細胞的細胞核里面，形成一個人工授精的胚胎。再將這個胚胎移植到受孕母體里發(fā)育成長。出生的個體，與提供細胞核的原型動物在細胞核基因上幾乎一模一樣。

注解：上文提到的“把動物體細胞的細胞核植入是卵細胞內(nèi)”有兩種方式，第一種是直接取出體細胞細胞核（用微型注射針），然后注入卵細胞里面。第二種是讓整個供體細胞在電脈沖等方式下和卵細胞融合。克隆羊多莉使用的是后者。

綿羊多莉克隆圖

（圖片來源：Ask a Biologist）

如今，這個方法已經(jīng)成功應用于多種哺乳動物，如黃牛、狼、家貓，甚至獼猴。那其他的動物呢？其實在20世紀下半葉，克隆的魚類和無尾目就已經(jīng)誕生——雖然它們沒有子宮，但是它們的胚胎可以在水體內(nèi)自己發(fā)育。1962年，英國的戈登就已經(jīng)把蛙類克隆成功。

蛙克隆過程，和克隆羊多莉過程相對類似。不過有些不一樣的是，它是直接把體細胞細胞核植入卵細胞里面，而非讓體細胞和卵細胞進行細胞融合

（圖片來源：Brainly）

但克隆鳥類就很困難了——因為克隆技術(shù)涉及到對卵細胞的操作，而鳥類的卵黃太大，結(jié)構(gòu)復雜，不像哺乳動物那樣容易處理。以雞蛋為例，我們常吃的雞蛋不少是雞產(chǎn)下來的未受精卵（也有受精卵）。相比之下，沒有太多卵黃和卵殼保護的蛙類卵就很好操作了。而且，鳥類也沒有子宮，無法像哺乳動物一樣通過子宮孕育胚胎，這使得胚胎移植幾乎無從談起。

雞胚胎在蛋里面發(fā)育

（圖片來源：ar.inspiredpencil）

所以，鳥類真的不能被克隆嗎？有些科學家選用了另一種方式——不是復制整個細胞，而是將珍稀鳥類的原始生殖細胞（如精原細胞或卵原細胞）轉(zhuǎn)移到一只普通家禽體內(nèi)。例如，把綠孔雀的精原細胞移植至家雞的睪丸里，讓家雞代為生成孔雀的精子。這種方法雖然還在實驗階段，但已經(jīng)在不同品種雞之間成功實現(xiàn)了間接克隆。

綠孔雀（非克隆個體）

（圖片來源：作者拍攝于北京動物園）

例如，揚州大學的團隊把黑色羽毛的狼山雞的體細胞（準確來說是雞身上的成纖維細胞）“誘導”逆轉(zhuǎn)為原始生殖細胞。然后，將其移植到了白洛克雞品系的體內(nèi)負責受孕，生下了狼山雞。

狼山雞品系

（圖片來源：The Livestock Conservancy）

克隆技術(shù)目前的局限性及破解方法

不過想要克隆動物，也面臨著不少技術(shù)操作和科學倫理的問題。除了上文提到的鳥類克隆面臨著生殖細胞操作的問題以外，也有人發(fā)現(xiàn)，部分物種的克隆并不是我們要做的那么簡單。

比利牛斯山羊（屬于西班牙山羊Capra pyrenaica的亞種）在滅絕之后被克隆了。2000年，它們被宣告滅絕，但好消息是，科學家們保留住了部分個體的冷凍細胞樣本，這就是它們復活的希望。

2003年，研究人員嘗試利用這些冷凍保存的細胞進行克隆。他們將山羊細胞的細胞核植入了家山羊的卵細胞中，并把實驗中培育出的208個胚胎移植到57只受孕母羊體內(nèi)（受孕的個體有西班牙山羊的其他亞種）。結(jié)果顯示，僅有7只成功妊娠，但其中6只羊在孕期中途發(fā)生胚胎流產(chǎn)。最后，僅有1只比利牛斯山羊出生，然而該幼羊剛出生沒多久就因為肺部先天畸形而死。

由于重新克隆的比利牛斯山羊早逝，比利牛斯山羊也成了為數(shù)不多的滅絕兩次的動物。這次實驗是人類首次嘗試用克隆技術(shù)“復活”已經(jīng)滅絕的哺乳動物，雖然以失敗告終，卻也揭示了一個現(xiàn)實：哪怕掌握了克隆技術(shù)，想要真正讓滅絕動物重返世界，依然困難重重。

比利牛斯山羊

（圖片來源：維基百科）

從中，我們也不難看出，一些動物克隆時可能存在胚胎流產(chǎn)或者克隆胚胎無法受孕的情況。并且，如果使用了近緣物種的卵細胞，可能會導致新克隆出來的動物摻雜了其他動物的細胞質(zhì)基因（卵細胞的細胞質(zhì)也有基因，線粒體基因就是例子），造成基因混雜。正是由于克隆涉及的技術(shù)繁雜以及存在受孕失敗風險，使得在拯救瀕危物種的實踐中，傳統(tǒng)的交配繁殖、種群交換和個體轉(zhuǎn)移往往更高效。

一只克隆貓咪

（圖片來源：Britannica）

值得注意的是，即便對于一些數(shù)量正常的家畜，克隆技術(shù)也面臨特殊挑戰(zhàn)。以犬類為例：其卵母細胞對于外界刺激相對敏感，如果要進行去除和植入細胞核的顯微操作，可能會導致卵母細胞的“意外去世”。犬類卵細胞細胞質(zhì)的脂肪也會影響原有細胞核的移除。另外，犬類每年的排卵次數(shù)也不多，且不能通過激素干預。

正是因為如此，克隆部分物種的推廣普及還在發(fā)展之中，而對于繁殖飼養(yǎng)技術(shù)相對匱乏的瀕危物種，那就更難一些。

克隆犬類過程。過程看似簡單，但是右側(cè)去除卵細胞細胞核部分曾一度困擾人。

（圖片來源：Dreamstime）

縱然克隆技術(shù)存在諸多挑戰(zhàn)，但也有人選擇開始克隆身邊的警犬，敢為人先，不過培育警犬也存在一定失敗率。通過克隆訓練有素的好警犬或者其他工作犬，或許可以得到更多和原犬一樣具備優(yōu)秀訓練潛質(zhì)的個體。韓國曾克隆過優(yōu)秀的工作犬。

左側(cè)為首個克隆犬（來自韓國），右側(cè)是的它受孕母親。

（圖片來源：參考文獻[9]）

而在中國的2018年冬天，昆勛這條克隆的昆明狼犬誕生。不過，要使其性格和工作能力和原犬一樣，還需要警察同志的后天培養(yǎng)教育。北京等地也有克隆警犬來自于功勛的警犬細胞。

克隆的昆勛

（圖片來源：文匯報）

您可能還會好奇：前文提到犬類卵細胞操作困難，這一問題如何解決？青島農(nóng)業(yè)大學趙明輝博士開發(fā)出AI輔助顯微操作系統(tǒng)——用AI幫助識別和預測卵細胞中細胞核的位置，輔助取出細胞核。

AI輔助去核克隆犬

（圖片來源：青島農(nóng)業(yè)大學）

在一些珍稀黃牛品系保護方面，克隆技術(shù)同樣展現(xiàn)出顯著價值——西藏地區(qū)數(shù)目不足百只的樟木牛和阿沛甲咂牛都是典型的例子，它們就曾在2024年初被克隆。之前創(chuàng)造了克隆?！翱悼怠钡慕淌诜驄D，還助推了肉牛胚胎移植產(chǎn)業(yè)化的可能性。

克隆的珍貴黃牛品系

（圖片來源：新華社）

此外，關(guān)于克隆動物的常見誤解需要澄清——很多人錯誤地認為“克隆的動物可能沒法自己繁殖，壽命短”，這一觀點其實不太對。2017年相應的科學研究表明，多莉這只克隆綿羊因為關(guān)節(jié)炎沒活到預期壽命，背后的原因并不是因為克隆。還有克隆?？悼岛碗p雙也在繁殖能力上沒有什么問題（人工授精已經(jīng)成功了）。日本也有體細胞克隆牛壽終正寢。

克隆是因為生育障礙嗎？為啥不能生？

克隆的動物確實很多，那為什么要克隆它們呢？可能是要增加它們的數(shù)目，也可能是——被克隆的動物壓根無法繁殖。

沒錯，本次克隆的犏牛就是一個例子：公犏牛不育，只有母犏?？捎?003年還誕生過克隆的騾子，然而，不論公母騾子都基本無法生育。此外，雄獅和雌虎生下來的獅虎獸也是雄性不育而雌性可育。為什么會這樣呢？

獅子獅虎獸（獅子和雌性獅虎獸雜交后代）

（圖片來源：Ligerworld官網(wǎng)）

克隆的珍貴黃牛品系

（圖片來源：ar.inspiredpencil）

這種現(xiàn)象背后的科學原理與親本物種的分化時間密切相關(guān)。以騾子為例（通常指母馬和公驢雜交所生的馬騾，若雜交親本反過來——母親是驢，父親是馬，產(chǎn)生的后代則稱之為驢騾，其體型和力氣比起騾子?。?，它們的父母——家馬和家驢的物種分化時間比起黃牛牦牛（也就是犏牛父母）的分化時間長。不過也有極少數(shù)例外：曾有母騾子和公驢或公馬交配成功繁殖的報道。

克隆騾子

（圖片來源：參考文獻[8]）

更深層的原因還涉及到獸類的性染色體。我們哺乳動物多是雄性XY兩個不一樣的性染色體，而雌性則是XX兩條一樣的染色體。而X染色體是有自己基因拷貝的，這樣一來，雌性有“兩份”X染色體基因拷貝和表達量，但是雄性只有一份基因拷貝，理論上表達量就會下降，影響雄性個體生存。

為了解決這個問題，就需要“劑量補償效應”提升雄性的X染色體相應基因表達的“產(chǎn)量”。而產(chǎn)量需要順式調(diào)控元件和反式調(diào)控因子來進行，前者來自X染色體，后者在性染色體以外的其他染色體上面。這個因子和原件用來做什么？順式調(diào)控元件像是一個“智能水龍頭”。而反式調(diào)控因子則是可調(diào)節(jié)水龍頭的智能設(shè)備，“智能設(shè)備”也就只能識別和調(diào)節(jié)特定的水龍頭——這就意味著不同物種間的設(shè)備和水龍頭就有區(qū)別。

當性染色體調(diào)控系統(tǒng)在雄性獅虎獸身上出現(xiàn)識別失敗時，問題就變得尤為棘手。由于雄性的獅虎獸同時繼承了獅子和老虎染色體上面的“智能設(shè)備”，還有老虎X染色體的“水龍頭”，但卻沒有獅子X染色體上面的“水龍頭”。最后由于“水龍頭”數(shù)目太少，而設(shè)備的調(diào)節(jié)又非?；靵y識別失敗，可直接導致基因表達失調(diào)——或者過多或者過少。特別值得注意的是，受影響最嚴重的恰恰是控制雄性生殖系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵基因，這正是導致雄性獅虎獸不育的根本原因。

海南島某動物園的獅虎獅獸（獅子和雌性虎獅獸的雜交后代，這只獅虎獅獸的“姥爺”“姥姥”分別是雄虎和雌獅）。

（圖片來源：messybeast官網(wǎng)）

雌性獅虎獸和公老虎生的“虎獅虎獸”

（圖片來源：messybeast官網(wǎng)）

相比之下，如果是雌性獅虎獸，父親獅子和母親老虎的“水龍頭”和“智能設(shè)備”都是一半一半。這樣一來，雖然父親的X染色體上面的“水龍頭”和母親的“智能設(shè)備”放一起會有點問題（反之也有），但由于雌性獅虎獸有兩個X染色體，因此其基因表達錯誤會在一定程度上緩沖跨物種調(diào)控系統(tǒng)的兼容性問題，使其生殖功能受到的干擾相對雄性顯著減輕。

雌性獅虎獸

（圖片來源：Ligerworld官網(wǎng)）

在性染色體決定性別方面，還存在著與哺乳動物XY系統(tǒng)截然不同的ZW模式——這一系統(tǒng)廣泛存在于部分兩棲動物、蜥蜴、蛇類、鱗翅目昆蟲、魚和鳥類中。其中，ZW為雌性，ZZ兩個一樣染色體的則是雄性。這種機制導致了一個有趣的現(xiàn)象：兩種有生殖隔離的鳥雜交出來的后代往往是雌性不育而雄性可育。那就是因為Z染色體承載著“水龍頭”（順式調(diào)控元件），而雜交的雌性鳥只有父方來的“水龍頭”，而父母雙方的“智能設(shè)備”（反式調(diào)控因子）直接會把它的相關(guān)基因“調(diào)節(jié)混亂”。

科莫多巨蜥，染色體類型為ZW。

（圖片來源：作者拍攝于上海動物園）

說回到剛剛不能繁殖的犏牛，由于體內(nèi)基因的“水龍頭”和“設(shè)備調(diào)解失敗”的原因，出現(xiàn)了產(chǎn)生精子的問題。

中學時代的生物有提及，產(chǎn)生精子需要減數(shù)分裂，而減數(shù)分裂需要精原細胞來進行，精原細胞會先分裂增加數(shù)量并演變?yōu)槌跫壘讣毎跫壘讣毎?jīng)過二次減數(shù)分裂形成精細胞，精細胞再度變形成為蝌蚪狀的精子。

犏牛自己卻出現(xiàn)了精原細胞的形成問題，而精原細胞變作初級精母細胞的數(shù)目，也比同齡正常繁殖的牦牛少。此外，它們的減數(shù)分裂還被阻斷了：減數(shù)分裂中所需要的一些蛋白質(zhì)，例如CDK1和SETX等參與了細胞分裂等生命活動的蛋白，可以在牦牛的精母細胞里面找到，但在犏牛中卻找不到。缺少這些必需的蛋白，犏牛自然出現(xiàn)了繁殖困難問題。面對這樣的情況，克隆技術(shù)為保存犏牛這一兼具產(chǎn)奶與產(chǎn)肉價值的特殊畜種提供了全新思路。

從克隆牛到雜交不育機制，這些研究不僅揭示了生殖生物學的精妙復雜，更展現(xiàn)了現(xiàn)代生物技術(shù)在保護優(yōu)良畜種、工作犬和瀕危物種方面的巨大潛力。于此，也希望克隆技術(shù)能在更多的動物中得到應用。隨著技術(shù)不斷進步，我們有理由期待克隆技術(shù)能為生物多樣性保護開辟更廣闊的道路。

參考文獻：

[1]Payseur BA, Presgraves DC, Filatov DA. Introduction: Sex chromosomes and speciation. Mol Ecol. 2018;27(19):3745-3748.

[2]Johnson NA, Lachance J. The genetics of sex chromosomes: evolution and implications for hybrid incompatibility. Ann N Y Acad Sci. 2012;1256:E1-E22.

[3]Lenormand T, Roze D, A single theory for the evolution of sex chromosomes and the two rules of speciation.Science,2025;389(6756): eado9032

[4]Wu SX, Wan RD, Wang GW, Zhang YW, Yang QE. Comparative proteomic analysis identifies differentially expressed proteins associated with meiotic arrest in cattle-yak hybrids. Proteomics. 2023;23(12):e2300107.

[5]Wu SX, Wang GW, Fang YG, Chen YW, Jin YY, Liu XT, Jia DX, Yang QE. Transcriptome analysis reveals dysregulated gene expression networks in Sertoli cells of cattle-yak hybrids,Theriogenology,2023;23:33-42.

[6]Zhao R, Zuo Q, Yuan X, et al. Production of viable chicken by allogeneic transplantation of primordial germ cells induced from somatic cells [retracted in: Nat Commun. 2023 Jun 19;14(1):3625. doi: 10.1038/s41467-023-39170-5.]. Nat Commun. 2021;12(1):2989.

[7]Korody ML, Ford SM, Nguyen TD, et al. Rewinding Extinction in the Northern White Rhinoceros: Genetically Diverse Induced Pluripotent Stem Cell Bank for Genetic Rescue. Stem Cells Dev. 2021;30(4):177-189.

[8]Woods GL, White KL, Vanderwall DK, et al. A mule cloned from fetal cells by nuclear transfer. Science. 2003;301(5636):1063.

[9]Lee BC, Kim MK, Jang G, et al. Dogs cloned from adult somatic cells. Nature. 2005;436(7051):641.

[10]Kim MJ, Oh HJ, Kim GA, et al. Birth of clones of the world's first cloned dog. Sci Rep. 2017;7(1):15235.

[11]Wu S, Mipam T, Xu C, Zhao W, Shah MA, Yi C, et al. Testis transcriptome profiling identified genes involved in spermatogenic arrest of cattleyak. PLoS ONE.2020; 15(2): e0229503.

[12]Schaetzlein S, Lucas-Hahn A, Lemme E, et al. Telomere length is reset during early mammalian embryogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004;101(21):8034-8038.

[13] Folch J, Cocero MJ, Chesné P, et al. First birth of an animal from an extinct subspecies (Capra pyrenaica pyrenaica) by cloning. Theriogenology. 2009;71(6):1026-1034.

[14] Corr SA, Gardner DS, Langley-Hobbs S, Ness MG, Kitchener AC, Sinclair KD. Radiographic assessment of the skeletons of Dolly and other clones finds no abnormal osteoarthritis. Sci Rep. 2017;7(1):15685.

[15] Tian XC, Kubota C, Enright B, Yang X. Cloning animals by somatic cell nuclear transfer--biological factors. Reprod Biol Endocrinol. 2003;1:98.

出品：科普中國

作者：呂澤龍（中國科學院動物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽