除了生物和医学的基础研究与构建疾病模型之外，转基因和基因工程动物还可以用来制备生物反应器，即利用目标基因在转基因动物的特定器官中高表达来获得该基因编码的蛋白质。譬如，将人的凝血因子基因整合于乳牛的基因组，并借助能使外源基因在乳腺组织中高表达的调控元件，使人的凝血因子基因在转基因牛的乳腺中高表达。我们就有可能从乳汁中提取人凝血因子来治疗血友病。这样不仅可以降低从血液制品中提取和纯化凝血因子的成本，还可杜绝血液制品潜在的诸如艾滋病毒或乙型肝炎病毒等病毒感染的风险。也就是说，我们可以通过转基因等基因工程技术来制备专门生产人凝血因子的牛乳腺生物反应器，这个转基因牛吃的是草，挤出来的是含有具有生物活性的人凝血因子的牛奶。这样的生物反应器既有重要的医用价值，又有巨大的经济价值。
当然，转基因牛也有一定的寿限，也会死去，它不会像机器那样永远产奶制药。如果借助两性交配来繁衍后代，则会使转基因牛的子裔因为生殖细胞形成与受精过程中的染色体交换重组和基因重排而丧失外源基因在乳腺中高表达的性状。由此，科学家们开始探索避开有性过程而采用无性繁殖的方法来完整地保留转基因牛的这个生产性状在子代中的表达，这种无性繁殖方法就是哺乳动物的克隆技术。
1996年7月5日在英国的苏格兰离爱丁堡市17 km的山区小镇上的罗斯林研究所，威尔穆特和K.坎贝尔精心培育的全世界第一只克隆羊多莉终于顺利诞生了。1997年2月27日，《自然》（Nature）杂志发表了威尔穆特等的文章“源自胎儿和成年哺乳动物细胞的可存活的后代”引起了科学界的强烈反响和公众的热切关注（图6-17）。
罗斯林研究所的前身是罗斯林动物繁殖研究站，致力于利用转基因动物来生产有药用价值的蛋白质，为了维持转基因动物的遗传稳定性，避免常规的有性生殖繁衍育种会导致极宝贵的生产性状丢失的危险，罗斯林研究所的科学家开始尝试用克隆技术来维持转基因动物品系。他们要做的事情是将一个发育完全、各种性状充分展现的成年动物的体细胞核移植到一个事先去除了细胞核而只含细胞质的卵壳内，并创造条件使接受了体细胞核的卵细胞质启动类似精子进入成熟卵细胞后的胚胎发育过程，再借助代孕母羊完成胚胎发育全过程，这个过程称为体细胞核转移（somatic cell nuclear transfer，SCNT）。威尔穆特和K.坎贝尔等决定先用羊来做实验。一个取自6岁成年多塞特母羊的乳腺细胞是细胞核的供体，通过电刺激使这个细胞核与作为细胞质供体的芬兰黑脸羊的去核卵细胞融合，然后注入代孕母羊，最终获得细胞核供体多塞特母羊的克隆羊。他们一共进行了277次实验，终于有一只来自成年绵羊的体细胞的羔羊诞生了。威尔穆特高兴地用他所喜爱的乡村歌手多莉·帕顿（Dolly Parton）的名字命名这只小绵羊。
图6-17 通过体细胞核转移成功克隆多莉的流程示意（引自《彩图科技百科全书
显而易见，克隆动物的思想，特别是克隆哺乳动物的思想的形成是与动物基因组的有目的的改造，或者叫工程化的操作密切相关的，体细胞核移植是一种人为的无性繁殖方式，避免了有性生殖过程中遗传物质的分离和重组，保持了遗传工程动物的遗传稳定性。源自成年母羊乳腺上皮细胞的多莉羊的诞生雄辩地证明，一个成熟的哺乳动物的高度分化的体细胞仍然保持着发育为完整的个体的潜在能力，或者说细胞的遗传物质在分化发育的过程中并没有发生不可逆的修饰，哺乳动物细胞的分化是通过基因表达水平的一系列有序的变化和细胞核与其所处的细胞质环境相互作用来实现的。这是人类认识生命、认识自我的一次重要飞跃。美国普林斯顿大学的分子生物学家西尔弗（L.Silver）把多莉的出现视为一个历史性时刻，他说：“对我来说，现在可以把时间划分为前多莉（pre-Dolly）和后多莉（post-Dolly）时期了。”
多莉羊的克隆成功，确实是一次具有划时代意义的技术突破，然而这并不意味着我们掌握了与哺乳动物体细胞核移植技术相关的一系列科学知识，更没有形成对实践有指导意义的科学理论。正因为科学知识和理论的滞后，目前用核移植技术来克隆哺乳动物仍然处于摸索阶段，一次成功往往伴随着几十次、几百次甚至上千次失败。威尔穆特2002年10月在《自然》杂志发表的评论文章总结了哺乳动物体细胞核移植方面的技术现状。文章说迄今公开报道经核移植克隆成功的哺乳动物已有牛、绵羊、兔、猪、猴、鼠和山羊7种。这一系列实例证实，当成年动物体细胞核置入去核卵细胞质后，控制分化的遗传物质结构修饰有可能被逆转，通过基因组的重新编程使细胞核内的基因组有可能像受精卵那样来调节和控制胚胎发育。然而，文章也指出体细胞核移植的效率极低，至少有1 /3被证实怀上克隆胚胎的牛和绵羊最终都流产了，其中多数是胎盘发育异常导致的早期流产。在出生24 h内，又有大量的克隆动物死于呼吸异常、出生时体重超常、心血管系统缺陷、器官增大等。即使在度过胚胎期和围产期而存活下来的动物中，还频频出现免疫系统、脑组织结构和消化系统的缺陷或异常。所以用成年动物的体细胞克隆的哺乳动物成功率是很低很低的。大量的实验资料表明，用体细胞核移植技术克隆动物的成败，在很大程度上取决于细胞核进入卵细胞后，整个基因组表达程序能不能重新编制，并足以启动类似有性生殖中两性配子的细胞核融合后启动的胚胎发育进程。
我们还很不清楚哪些因素会影响重新编程过程。但至少应该包括：①核移植时体细胞所处的是细胞分裂期还是静止期；②体细胞取自何种组织，其特化程度怎样；③待克隆的动物处于什么发育阶段，是胚胎期，还是出生后的幼年或成年，抑或是老年；④接受核移植的卵细胞所处的状态；⑤体细胞和卵细胞质融合及启动发育的实验条件；⑥克隆的胚胎处于什么样的孕育环境。美国麻省理工学院卢道夫·杰克逊实验室曾经对体外受精发育的小鼠胚胎和经核移植克隆的小鼠胚胎做了10 000个基因表达的对比分析，发现克隆小鼠胚胎约有4%的基因表达异常，其中表达下调的占3.3%，上调的占0.7%，以此推算克隆小鼠胚胎整个基因组中可能有近千个基因表达异常。医学遗传学研究表明，即使单个基因的结构变化或表达异常也有可能引起严重的疾病。可以想象成百上千个基因表达异常将会导致克隆动物胚胎致死、出生后死亡、围产期死亡和成年动物的多系统疾病。如出生时看来是正常的多莉，很早就患上了关节炎等疾病。随着克隆动物种类和数量的增加、存活期限的延长，在克隆动物身上发现的病理性变化还会不断增加。
多莉的克隆成功暗示我们克隆人的可能性不是不存在的。这里不妨先从科学和技术层面来思考一下克隆人的问题。
第一个问题：由6岁的成年绵羊的乳腺上皮细胞的细胞核DNA克隆获得的多莉，它出生时的生物学年龄是0岁还是6岁？6年的生长、发育与分化，是否在体细胞的基因组中留下了由年龄引起的结构修饰？如与年龄相关的表观遗传修饰。要是这种年龄修饰的确存在，会不会引起克隆动物的早衰和老年性疾病？
第二个问题：人细胞与小鼠细胞的一个重要区别是染色体的端粒会随着细胞分裂次数的增加而逐渐缩短，最后使细胞丧失继续增殖的能力，这是因为人的端粒酶活性受到抑制的缘故。一旦端粒酶活性增高，细胞的增殖就可能失控，甚至导致恶性肿瘤。所以，如果由成年体细胞衍生而来的克隆人的染色体端粒酶活性依然受抑，则可能会影响细胞，乃至整个机体的正常寿命。反之，如果细胞中端粒酶活性增高，则细胞有可能发生恶变。
第三个问题：人的基因组中有相当一部分基因甚至染色体片段，在精子或卵细胞形成过程中，会因某种结构修饰而不能表达，称为基因印迹（genetic imprinting），分为起源于精子的父源基因印迹和起源于卵细胞的母源基因印迹两种。这种在生物演化中形成的、有规律而又受控的基因失活是机体中基因表达调节的一种重要方式。调控基因表达的这类修饰会经体细胞分裂而传至下一代细胞。源于生殖细胞的基因印迹只有在个体性成熟后的生殖细胞的形成过程中才会删除或重新改变印迹方式。基因印迹的异常往往会导致多种遗传性疾病，所以在克隆人中如何防止基因印迹造成的发育异常或重要基因功能的缺陷，必将是一个严重的挑战。
第四个问题：前面曾提到在自然条件下，精子进入成熟的卵细胞后，精卵融合形成的受精卵基因组会启动有严格时空顺序的基因表达程序。它既与受精前卵细胞质的生理生化环境有关，又受刚刚形成的合子基因组上基因表达元件的调控。有理由认为，各种不同的体细胞虽然有同样的基因组，但取自不同组织或器官的体细胞的细胞核所携带的基因组表达的指令信息是不完全一样的，与刚刚发生精卵细胞核融合的合子基因组的表达指令也必然是不一样的。显而易见，将成年个体的体细胞的细胞核移入去核卵细胞的克隆操作，必须立即启动一种与受精过程触发的自然程序相同的早期发育过程，这在生物学上称为重编程（reprogramming）。目前，与哺乳动物核移植相关的重编程技术还很不完善，例如多莉就是277次同样的核移植中仅存的一个“幸运儿”。对于人的克隆来讲，面临的一个最直接也是最严峻的技术难关也许就是核移植后的重编程。
第五个问题：在人类群体中，通过有性过程形成的每一个个体都有一个独特的基因组，这种独特性是构成人的尊严和人权的生物学基石。除了由一个受精卵发育而来的双生子以外，每一种基因组在人类群体的基因组库（genome pool）中都只占有一份。这是在自然选择条件下，生物由无性生殖演化到有性生殖后获得的最重要的群体生物学性质。有性生殖中基因重组的随机性是群体多样性的基础，也是种群保持演化潜能的重要前提。生物体从无性繁殖到有性繁殖，付出的代价是丧失了任何一个个体都能独自繁衍数量几乎不受限制的后代的可能性，换来的是种群基因组的几乎不受限制的多样性。如果群体中任何一个个体的基因组被复制，克隆出仍有无性繁殖可能的克隆人，则会增加这个特定基因组在群体基因组库中的频度，造成种群基因组多样性程度的下降。这不仅是一个理论问题，而且可能会产生不可预言的灾难性后果。顺着这样的思路，我们还可以设想若干在生物学层面尚未解决的科学和技术问题。
克隆人的技术问题或迟或早总是会得到解决的。真的到了技术层面的问题不复存在时，是否就可以克隆人了呢？技术层面的思考必然要转入伦理学的思考或思辨。
在进行克隆人的伦理思考或思辨时，最容易想到的是有关人类辅助生育技术应用初期的争论。其实，克隆人和辅助生育技术的应用是不能相提并论的，它们是本质上截然不同的两件事。辅助生育技术或是帮助精子或卵细胞成熟，或是帮助精子和卵细胞有效地结合，或是帮助受精卵在适宜的孕母体内正常发育。而克隆人是从已分化的体细胞基因组出发，经核移植这样的无性过程复制一个基因组结构与现存的或已去世的个体完全一样的个体。尽管由于基因组所处的生物内微环境和个体所处的自然和社会环境不同，具有相同基因组的个体可能会有不同的外貌和行为，甚至认知能力的差异，但从基因组水平来讲，具有相同基因型的个体在遗传上是等同的，对群体下一个世代基因组库的贡献也是等同的。所以，克隆人事实上已经侵犯了群体中携有不同基因组的个体将其基因型以自然的、不受强制的人为因素影响的概率传至下一个世代的群体的平等权利。
在关于克隆人的伦理思考或思辨中，常常会想到因意外事故痛失爱子或爱女的双亲，要求由来自爱子或爱女的体细胞克隆出一个完全一样的孩子这样的例子，也曾经有人认为基于这种理由的克隆人是人道的。然而，一旦我们可以为所有痛失爱子或爱女的双亲复制他们失去的孩子时，谁还会把这个孩子看成是他们情感生活中不可替代、在家庭生活中不可或缺的最爱呢？那么现在还活着的男孩或女孩还会是每个家庭各自的最爱或唯一吗？再进一步想，我们现在活着的男男女女不也会陷于类似的境地吗？对于这样一种会把我们带入一种怪异的“情感黑洞”的情景，相信大家一定会不寒而栗的。
与克隆多莉羊的初衷一样，有关克隆人的想法也隐含着对人的基因组进行有目的的修饰，来设计或所谓的“优化”人的遗传结构的情结。如果，有人想把孩子设计得个子更高、五官更端正、脑子更灵活、体魄更健壮，并企图通过遗传操作实施这种设计。那么一旦真的得到了一个甚至一群符合“订单”要求的孩子时，我们将永远失去作为人的尊严，父亲的、母亲的、孩子的，乃至整个人类的尊严。遗传学研究还表明，我们每个人的基因组中都携带了若干个对生长和发育有负面影响的突变基因。在这一点上，人绝对没有优劣之分，不论一个人带有怎样的基因，都应享有同样的尊严。霍金（S.W.Hawking）虽因基因突变而罹患严重的肌萎缩侧索硬化症，却仍然是我们时代最伟大的物理学家之一。况且，遗传变异的存在是人类群体遗传多样性的体现，也是群体演化的重要基础。
关于克隆人想法中隐含的另一个情结是想借此获得个人的“永生”，在一个人寿终正寝之时，克隆出一个一模一样的人。这种想法也是不现实的，因为一个人的个性或人格不单单取决于基因组的结构，还在很大程度上取决于生活环境和社会关系。所以遗传学上的克隆只解决了发育与成长的生物学潜能，并不能决定因教育与教养等社会因素对人的个性和人格形成的影响，这种影响有时是决定性的，不然就会陷入“贼的儿子是贼”一样的荒谬境地。
人类只享有一个共同的基因组，决定了全人类在遗传上的高度共性，而基因组纷繁复杂的多样性决定了每个人基因组的极端个性，人类基因组就是这种高度共性和极端个性的统一体。我们关于克隆人的思考或思辨，无论是技术层面的，还是伦理层面的，都必须通过尊重每一个携有独特基因组的社会成员来维护人类基因组的完整性和多样性，以及在多变且变得越来越不可预测的环境中保持某种演化的潜在能力，并由此来确定我们行为的伦理准则。
“多莉羊之父”K.坎贝尔博士2002年10月来上海讲演时说：“坚决反对克隆人。坚决反对！提高人类生活质量才是我们研究动物克隆的目的。”我们不能因为科学与技术研究而使人类的体质、精神或是人格受到任何损害。科学研究和技术应用的自由度必须受制于科学家应有的社会责任感。
伦理思考的结论是，必须禁止利用克隆技术来繁殖人类，同时可以有条件地开展治疗性克隆的相关研究。毫无疑问，我们应重视哺乳动物克隆技术的潜在科学和经济价值，在繁育良种、拯救濒危珍稀动物、建立药用蛋白生物反应器，以及构建复杂疾病动物模型等研究中积极有效地应用该技术。
当然，除了利用克隆技术来繁殖人类之外，哺乳动物的克隆技术还可以在一定的伦理规范指导下用于人类某些疾病的治疗。即将一个成体细胞的细胞核移植入另一个个体的去核卵细胞中，在实验室培养出有发育全能性的胚胎干细胞，进而获得某种细胞、组织甚至器官用于治疗性移植。这里不存在胚胎的子宫植入、妊娠与分娩，所以不是一项生殖技术，而是一种获得与供体细胞核的个体在基因上吻合而不会产生免疫学上排异反应的细胞、组织或器官。相关的动物实验已经在多个实验室开展。为了避免与生殖性克隆相混淆，大多数科学家和医生建议将这种技术称为医用体细胞核移植术或治疗性克隆。它与生殖性克隆根本的区别是，治疗性克隆没有改变治疗对象的基因组结构，也没有改变治疗对象的有性生殖方式，它是一种全新的疾病治疗手段。
早在1938年，施佩曼（H.Spemann）就曾经将一个经历了数次细胞分裂的蝾螈受精卵的细胞核移植至一个刚刚受精但已经去了核的蝾螈受精卵，结果竟然产生了一个完整的蝾螈。这意味着即使经历了多次分裂的胚胎细胞的细胞核仍然保持着多能性，还能分化发育成为成年动物的各种细胞。这也许是动物组织的细胞有可能通过某种发育程序的逆向改变重新成为胚胎样多能细胞这种学术思想的萌芽。
1952年，布里奇斯和金（T.J.King）将蛙的囊胚细胞的细胞核成功地移植至去核的蛙卵细胞。1962年格登利用同样的技术将爪蟾（Xenopus laevis）小肠上皮细胞核移植至去核的卵细胞。在726次核移植实验中，最终产生了10个健康的、能游泳的蝌蚪，从而证实蛙的体细胞核可以重编程为类似受精卵的细胞核。2006年，山中伸弥跨出了关键性的一步。他在24种对导致胚胎干细胞发育全能性至关重要的蛋白质中筛选出4种对胚胎干细胞生长和维持发育多能性必要且充分的转录因子，即Oct3/4（octamer-binding transcription factor）、Sox2（sex determing region Y box 2，又称SRY）、K1f4（kruppel like factor）和c-Myc，然后将它们合成一组装入逆病毒载体，通过转基因技术转入成年小鼠的皮肤成纤维细胞，成功地将小鼠的体细胞转变为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC），其间并未涉及受精卵或胚胎。这种iPSC具有分化成为成年小鼠各种类型细胞的潜能，并能经生殖系传递（图6-18）。
图6-18 建立诱导干细胞来源的小鼠（改自J.Rossant）
2007年，他又将同样的4种转录因子成功地将人体皮肤成纤维细胞转变为诱导多能干细胞，这些细胞在形态、发育多能性、细胞表面抗原、基因表达、多能细胞特异性基因的表观遗传学状态，以及端粒酶活性等方面和人类胚胎干细胞都是相似的。山中伸弥还进一步证实，这些iPSC能在畸胎瘤或体外条件下分化成所有三个胚层的细胞。这是从格登等工作以来体细胞核转移研究最具革命性的突破，在基础研究、临床研究，特别是再生医学（regenerative therapies）和新药开发等领域有着不可估量的价值。毫无疑问，这项成果得益于40多年来DNA重组技术和哺乳动物体细胞遗传分析技术的蓬勃发展。格登和山中伸弥还因此获得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖。
不同发育阶段的细胞具有不同的发育潜能，其分布可展示为细胞的发育潜能金字塔，如图6-19所示。桑葚期细胞能发育成所有的细胞类型，是发育全能细胞。胚胎干细胞和诱导多能干细胞发育潜能稍低，不能分化为胚盘细胞。组织层面干细胞只能发育成特定组织的细胞，如造血干细胞能发育成多种血液细胞。最下层的干细胞的发育潜能更为有限。
无论人体的内部或外部受到损伤，身体都会激活受伤区域的驻留干细胞（resident stem cell），同时将骨髓干细胞招募至血液再运送到受伤的部位启动修复过程，并表达调低炎症反应的蛋白质和其他一些刺激新的细胞生长的蛋白质，进而招募新的生长因子，然后把自身分化、演变成为与受到伤害的细胞一样的细胞。骨髓不仅仅是造血干细胞（hematopoietic stem cell，HSC）、间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）和内皮干细胞（endothelial stem cell，ESC）的丰富来源，也是血小板衍生因子（platelet derivedgrowth factor，PDGF）、碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblastgrowth factor，bFGF）和血管表皮生长因子（vascular endothelialgrowth factor，VEGF）等多种生长因子，以及体内损伤修复所需营养的来源。
图6-19 不同发育阶段的细胞具有不同的发育潜能（改自H.T.Lin）
（a）将受精卵维持至桑葚期或囊胚期，获取内细胞团的细胞在细胞单层上进行体外培养，并进行胚胎干细胞建株；（b）细胞发育潜能金字塔，桑葚胚期细胞能发育成所有的细胞类型，是发育全能细胞。居于第二层的胚胎干细胞和诱导多能干细胞能发育成除了胎盘以外的各种细胞。居于第三层的组织层面干细胞能发育成特定组织的细胞，如血液干细胞能发育成多种血液细胞。居于最底层的发育潜能受到更为严格的限制
然而，当机体因某种病理原因而阻断这种干细胞修复途径，可能造成严重后果，甚至危及生命，而诱导多能干细胞的研究则为再生医学提供了新的希望。图6-20简要显示了应用源自患者的诱导多能干细胞的产生和可能的应用领域。非常关键的是它不仅规避了人胚胎干细胞带来的伦理问题，还杜绝了异体干细胞移植可能带来的免疫排斥。
虽然诱导干细胞存在着演变为癌细胞的潜在可能性，至今还没有涉及诱导干细胞的治疗方案通过临床试验。但是小鼠的实验性治疗途径正在为诱导干细胞进入临床应用创造条件（图6-21）。
从分离和在体外条件培养哺乳动物体细胞群体开始的哺乳动物的体细胞遗传分析看，不必经过有性繁殖和世代交替过程，就能直接在细胞和分子水平上研究和分析哺乳动物和人类基因组的结构和功能。而通过特定转化因子组合转入哺乳动物体细胞而获得的诱导多能干细胞却赋予体细胞重新产生整体动物的可能性。20世纪60年代，当哺乳动物的体细胞遗传分析刚开始时，我们对哺乳动物基因的结构与功能知之甚少，而今我们已经具备了通过诱导多能干细胞对哺乳动物整个基因组进行工程化修饰改造的能力。哺乳动物体细胞遗传学的发展轨迹真可谓是我们始料不及的。大多数自然科学家和工程技术专家，甚至生物学家，在很长一段时期内很少考虑与自己工作相应的伦理问题。然而，科学与技术发展到今天，已经渗透到我们生活的方方面面，我们不得不严肃地思考科学与技术对社会发展的影响，对人与人之间关系的影响，对人自身的社会价值甚至对生物学意义上的人的影响。
图6-20 源自患者的诱导多能干细胞的产生及其在病理学研究与临床医学、药学、毒理学和治疗方面的应用（引自H.T.Lin等）
图6-21 利用诱导干细胞治疗遗传性疾病的示意（引自H.T.Lin）
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