1. 動物克隆的理論基礎
在許多人眼裏，體細胞克隆羊多莉 (Dolly) 的誕生是克隆技術的開始。其實不然。“克隆 (clone)”壹詞來源於希臘語，原意是用於扡插的枝條，也就是指無性繁殖。克隆在植物界的應用已有上千年的歷史，理論上的突破則是本世紀的事。1902 年德國植物學家 Haberlandt指出，植物的體細胞具有母體全部的遺傳信息，並具有發育成為完整個體的潛能，因而每個植物細胞都可像胚胎細胞那樣，經離體培養再生成為完整植株。這就是所謂的細胞全能性。許多科學家為證實植物細胞的全能性作出了不懈的努力。1958 年，Steward成功地將壹個胡蘿蔔細胞試管培養，長成了壹株具有根、莖、葉等器官的完整植株。1964年Guha 和 Maheshwari利用毛葉曼陀羅的花藥培育出單倍體植株。這樣，植物細胞全能性獲得了充分的論證。建立在此基礎上的組織培養技術也得到迅速發展。
與植物細胞不同，在動物發育過程中分化了的細胞不能再產生完整的充分分化的個體。然而，動物胚胎的生長、分化和發育是否造成體細胞基因組的不可逆性修飾，即在發育過程中分化了的細胞是否具有與受精卵相同的核等價性 (nuclear equivalency) 或基因組連續性，壹直是發育生物學要解決的問題。早在30 年代，著名的胚胎學家 Spemann 就已經提出“分化了的細胞核移入卵子中能否指導胚胎發育”這樣的設想。用兩棲類動物進行的壹些克隆實驗表明，早期胚胎細胞核經移植可產生成熟的動物個體，而從蝌蚪及成體動物細胞中取出的細胞核經移植生成的克隆動物最晚只能發育至蝌蚪期。胚胎分割及胚胎細胞核移植克隆動物已在許多物種中獲得了成功。體細胞克隆綿羊[1]、小鼠[2,3]、牛[4,5] 及山羊[6]的成功，證明高度分化的細胞核仍具有全能性。
2. 體細胞克隆羊及小鼠實驗成功分析
克隆羊Dolly 是世界上第壹只由成體細胞通過無性過程產生的哺乳動物。在Dolly 誕生後的壹年多時間裏，全世界掀起了壹股克隆熱，並引起了壹些激烈的爭論和對Dolly身份的質疑。1998 年7 月出版的《Nature》報道兩個獨立的研究小組分別對Dolly 的血樣、供體母羊冷凍組織及其細胞培養物進行衛星DNA 分析和DNA指紋分析，確認三者的壹致性，證明Dolly 確實是體細胞克隆動物。在同期《Nature》上，美國夏威夷大學Wakayama 等人報道，由小鼠卵丘細胞 (cumulus cells) 克隆了27 只存活小鼠，其中7只是由克隆小鼠再次克隆的後代。
兩棲類和哺乳類核移植實驗發現，經核移植的卵母細胞不能正常發育的壹個關鍵問題是供體核和受體卵母細胞之間的細胞周期不相容性。Wilmut 等的成功之處就在於他們找到了壹種使供體核和受體卵母細胞更相容的方法。他們通過血清饑餓法使供體核細胞處於二倍體的G0 期，這樣處理的供體核在DNA復制的時間上就與處於中期II的受體卵母細胞同步。從建立正確的染色體倍性 (ploidy) 這個角度來看，供體核處於G1 期也可以獲得克隆動物。穩定表達b -半乳糖苷酶-新黴素基因的胎兒成纖維細胞作核供體，獲得克隆牛證明了這壹點[7]。
人們壹般認為，供體核和卵母細胞組成的重組胚胎的發育過程與正常狀況受精卵相仿。 羊胚胎基因組的轉錄壹直到8～16個細胞才開始，這種轉錄時間的差異在理論上將允許胚胎有充裕的時間對植入的成體羊細胞核進行重新編程，使其進入胚胎發育期。由於不同的物種胚胎轉錄的起始時間各異，所以克隆的難易也不同。以往的研究發現，在小鼠的克隆過程中，基因組很早就被激活，移植的細胞核沒有足夠的時間進行重新編程。因此，許多研究者認為小鼠是最難克隆的動物之壹。
Wakayama 等人的工作改變了這種觀點。與Wilmut 等的方法相比，Wakayama 等采用了壹種新的、相對簡單的克隆技術。Dolly 是采用母羊的乳腺組織細胞經過“饑餓“ 培養，與去核的卵細胞進行電融合，促使融合細胞中遺傳物質的重編程 (reprogramming), 然後逐步發育成胚胎。克隆小鼠采用核移植的方法，將自然狀態下處於G0 期的卵丘細胞作核供體，直接註入去核的卵細胞。小鼠克隆過程中核移植後的重組胚胎放置0～6 小時後再激活，也有異於Wilmut 等用電刺激法同時融合重組胚胎和激活胚胎。Dolly 的產生過程中遺傳物質的重編程和卵細胞的激活是電刺激法，而小鼠的克隆則采用在培養基中添加鍶離子 (Sr2+) 和細胞松弛素B 的化學方法激活重組胚胎。
3. 動物克隆技術的應用
動物克隆近幾年取得的壹些突破性進展，為動物發育過程中基因表達的調控及發育生物學、遺傳學等相關學科的發展必將產生深遠的影響。雖然目前這種方法尚不成熟，但它已顯示出誘人的應用前景。
動物克隆技術將首先應用於醫藥領域。利用體細胞供體經核移植生產轉基因動物，可望降低生產成本。到目前為止，產生轉基因動物的方法仍主要是1985 年Hammer 等建立的原核顯微註射法。但是，這種方法只能使大約5％的動物攜帶外源基因。外源基因整合入動物基因組是個隨機的過程，這導致外源基因在許多轉基因動物系中的表達量不夠高，而且因整合進生殖細胞的機率低而難以遺傳給下壹代。Schnieke 等發現，利用體細胞克隆技術生產含人凝血因子 IX 的轉基因羊比原核顯微註射法要有效得多[8]。其中，兩者最顯著的差異是體細胞克隆中的受體母羊全都攜帶外源基因，而原核顯微註射法會產生許多不帶外源基因的羊羔。這是由於，原核微註射法中所用胚胎在體外培養的時間較短，在此期間被檢測為陽性的轉基因可能會在以後的發育過程中丟失。用作核移植供體的細胞在體外培養的時間則較長，有較多的檢測機會。另外，顯微註射法制備的轉基因動物的性別只有等到動物出生後才能得知, 而核移植可以通過鑒別核供體的核型而預先得知轉基因動物的性別，可選擇性地制備雌性的轉基因動物, 有利於在母乳中表達外源基因。
克隆技術除了可以生產各種醫用人體蛋白外，對人類的細胞和組織治療也大有好處。利用克隆技術，可以用患者本人細胞培育出新組織，用來治療糖尿病、帕金森氏癥、神經損傷等多種疾病。用這種方法培育出的組織具有與患者正常組織完全相同的基因構成，因此不會產生免疫排斥反應。但是這些都涉及到克隆人這個敏感話題，目前克隆人在許多國家是法律禁止的。隨著人類胚胎幹細胞培養技術的完善，目前已有兩家美國公司開始研究利用克隆技術培育人胚胎，希望大批量生產治療疾病的幹細胞。事實上，幾年前人們就曾把人胎兒神經組織用來治療帕金森氏癥。考慮到倫理上的原因，人們也可以用克隆動物的胚胎幹細胞作異源移植，以解決人類移植器官供求矛盾。
動物克隆技術還有助於加速動物育種的進程。利用優良動物品種的體細胞作核供體克隆動物，可以避免自然條件下選種所受到的動物生育周期和生育效率的限制，從而大大縮短育種年限，提高育種效率。動物克隆技術用於拯救瀕危動物也受到廣泛的關註。中國科學院動物研究所陳大元研究員提出用動物克隆技術拯救大熊貓的計劃，在國內外均引起壹定的反響。
4. 動物克隆技術的不足及未來發展方向
動物克隆技術雖然取得了壹定的進展，在生物醫藥領域也得到了初步應用。但是，該技術目前還很不完善。存活率低是當今核移植技術的最大缺陷。它突出表現為：孕期流產率高，圍產期死亡率高，新生兒體重較重及產生後對環境的適應性較差。以成體細胞核作核供體問題更為嚴重。最近，Shiels 等報道克隆羊的端粒較同年羊短[9]。Renard 等報道，體細胞核移植可能影響克隆動物免疫系統的正常發育[10]。他們用胚胎細胞克隆牛的耳細胞通過核移植克隆出壹頭牛。牛犢看起來很健康，但出生壹個半月後，它體內的淋巴細胞和紅血球急劇減少，不久就死於貧血。屍體解剖發現，該牛犢脾臟、胸腺和淋巴結等淋巴組織都沒有得到正常發育。
導致動物克隆存活率低和異常發育的原因很多，缺乏基礎理論支撐是其中之壹。動物克隆技術的不斷完善，還需要分子遺傳學、細胞學、發育生物學等相關基礎學科的進壹步研究和發展。迄今為止，人們雖然在動物克隆過程中已經積累了不少數據，但壹些很基本的問題仍亟需解決。
基因組重新編程的機制尚不清楚。人們雖然觀測到核移植後細胞核的激活與早期胚胎原核發育類似，但較詳細的信息仍不甚明了。其中，成熟促進因子(maturation promoting factor，MPF)、核膜破裂(nuclear envelope breakdown，NEBD) 和早熟染色體凝集 (premature chromosome condensation, PCC) 在基因組重編過程中的作用還需明確。
基因印記 (imprinting) 對核移植後基因組重新編程的影響。基因印記現象在哺乳動物的發育過程中普遍存在，它是指基因的表達與否取決於它們是在父源染色體上還是母源染色體上。有些印記基因只從母源染色體上表達，而有些則只從父源染色體上表達。基因印記與動物克隆技術的成功及不足有何關系值得深入研究。
動物克隆種屬及細胞差異的原因。克隆不同種屬的動物難易有別，其中的原因目前人們還不清楚。目前可以用作體細胞核移植核供體的細胞類型還較少。Wakayama 等用處於 G0/G1期的卵丘細胞克隆得到小鼠，而他們采用處於G0 期的足細胞 、神經細胞作核供體進行的克隆實驗均未獲得成活個體，這顯示供體核處於G0 期並非保證胚胎發育的充分條件。Dominko等發現去核的牛卵細胞能使來自羊、猴、鼠、豬等不同種屬的細胞核激活，並在體外發育為相應的胚胎，但目前還沒有壹個可繼續發育為完整的動物個體。如果這項工作能成功，將十分有利於瀕危動物的保護。
動物克隆技術條件的優化還沒有解決。如核供體和卵細胞的選材、核質比的選擇、重組胚胎的激活方式、是否需要作連續核移植等。
綜上所述，動物克隆研究已在理論基礎、技術優化及實際應用等方面取得很大的進展。但該技術目前還很不完善，相關理論研究還很薄弱，人們要提高動物克隆的成功率還需不懈的努力。另外，克隆動物與正常胚胎的發育有何異同，也值得深入研究。這些問題的解決，將有助於加深人們對動物胚胎發育過程中分子機制的認識。