克隆可以无限进行吗？20 年58 代小鼠给了我们答案 | 一周论文新鲜读

来自《自然》旗下期刊的新近发表，我们为您精选呈现。

1. 干旱或促进土壤微生物产生抗生素耐药性

2. 小鼠重复克隆的极限

3. 古代葡萄DNA揭开4000年法国葡萄酒历史之谜

4. 遗传学揭示欧洲最早犬类历史

5. 气候变化的代价

6. 深入探究抹香鲸分娩过程

7. 微重力阻碍卵子受精与早期胚胎发育

根据《自然-微生物学》的一篇论文，干旱条件可能会增加土壤中天然抗生素的浓度，促进耐抗生素微生物生长。利用116个国家的临床数据，作者还报告了在本地干旱程度和医院中抗生素耐药性平均发生率之间的关联，提出了气候变化对公共健康影响的另一种途径。

土壤是自然抗生素化合物的丰富来源，许多土壤微生物则演化出了应对这些物质的生存机制。但还不清楚气候变化导致的更频繁持久的干旱，会如何影响产生抗生素和耐抗生素的土壤微生物。也不清楚这对人类健康是否有影响。

美国加州理工学院的Dianne Newman、Xiaoyu Shan和同事结合计算分析和实验室实验，研究了干旱如何影响土壤中抗生素的动态变化。他们整合了来自此前研究的五组宏基因组数据集，包括来自美国加利福尼亚州的耕地和草地土壤、瑞士瓦莱州森林的土壤，以及中国南昌湿地的土壤。随后，作者评估了微生物产抗生素和耐抗生素的基因数量，是如何基于土壤的干燥程度变化。他们发现，在所有5个数据集中，干旱条件下，产抗生素基因丰度显著增加，包括β-内酰胺类抗生素（如青霉素）和大环内酯类抗生素。使用代表性土壤样本进行的实验室实验中，在干旱条件下，抗生素水平更为集中，部分对抗生素敏感的微生物菌株相对适应度下降了99%。然而，耐抗生素细菌（包括革兰氏阴性菌株）的相对适应度并未降低。

将116个国家的医院抗生素耐药性数据与当地年降水量和平均气温作比较后，作者发现，气候更干旱与临床分离株中抗生素耐药性平均发生频率更高相关。虽然作者提到，还需要进一步研究表明因果关系，但这些发现表明，气候变化所致土壤干旱加剧，可能增加抗生素耐药性带来的风险。

发表在《自然-通讯》上的一项为期20年的小鼠研究表明，哺乳动物无法无限进行重复克隆。研究结果表明，有性生殖对于消除哺乳动物克隆体中可能积累的大规模基因突变是必要的。

整只动物克隆一直是研究中的一种宝贵工具，但较低的成功率限制了其应用。虽然某些动植物能够通过无性繁殖而不积累遗传缺陷，但哺乳动物克隆能否实现这一点尚不明确。若山照彦和同事此前曾证明，连续克隆——克隆一只小鼠，然后再次克隆这些克隆体——最多可进行25代，且不会影响后代的健康。这种能力是否存在极限尚未确定。

日本山梨大学的若山照彦和同事继续进行实验，结果表明，持续20年的小鼠连续克隆最终会导致致命DNA突变的积累，这影响了第27代之后的出生率。小鼠可被克隆至第57代而不影响寿命，但最后一代出生后未能存活。早期代系健康状况良好，基因组测序未检测到大规模DNA突变。然而，DNA突变在后期代际中逐渐积累，并与第40代后出生率的急剧下降呈正相关。克隆还会改变胎盘结构，这一现象此前已有观察，并在所有代际的克隆体中得到证实。当后期代际的克隆小鼠进行自然交配时，其孙代的胎盘形成正常且生育能力有所提高，这表明自然交配对于维持基因组完整性至关重要。

作者认为，超过25代的反复克隆会导致DNA突变的积累，而这些突变通常可通过自然交配得到修复。这些发现有助于我们更好地理解哺乳动物克隆的技术极限，并为自然交配的DNA修复功能提供了新的见解。

发表在《自然-通讯》上的一项研究显示，跨越4000年的葡萄籽古代DNA揭示了这一时期法国葡萄的驯化、种植和贸易情况。研究人员发现，一份中世纪样本与现代黑皮诺葡萄在基因上完全一致，表明该品种已有近600年的连续种植历史。

法国拥有悠久的葡萄种植和酿酒历史，被视为世界领先的葡萄酒生产国之一。尽管以往的古DNA研究加深了我们对这一历史的理解，但由于缺乏考古证据，早期葡萄种植仍存在诸多疑问。

法国图卢兹大学的Ludovic Orlando和同事对54颗考古葡萄籽进行了全基因组古DNA分析，其中包括47份来自法国的样本和2份来自伊维萨岛的样本。这些样本的年代跨度从约4000年前的青铜时代，直至约500年前的中世纪末期。研究人员在最早可追溯至约2800至2400年前的葡萄籽中，检测到了野生葡萄藤与驯化葡萄藤的共存，此外还发现了与黎凡特地区相关的遗传变异，以及后来与高加索地区相关的遗传变异。研究人员发现了基因相同的克隆体，这表明早在铁器时代中期（约公元前625–400年），人们就已通过无性繁殖（即利用插条或茎秆培育新植株）的方式，在数百公里的范围内进行葡萄品种的贸易。研究人员还在瓦朗谢讷（法国北部）发现了一份中世纪样本，其基因与现代黑皮诺完全一致，表明该葡萄品种的基因至少自1400至1500年间延续至今。

这些发现不仅深化了我们对法国葡萄栽培遗传学及其背后文化进程的理解，还为现有的历史记载提供了至关重要的考古视角。

《自然》发表的两项研究显示，至少在14200年前，家犬已在欧亚大陆西部广泛分布。这些论文报告了迄今已知最古老的犬类基因组，早于此前约10900年前的遗传记录。研究结果还表明，当时一个遗传特征相似的犬群已在欧亚大陆西部广泛分布。这些发现共同揭示了欧洲犬类的早期历史。

狗是欧洲农业出现前唯一的驯养动物，但确切起源时间尚不明确。考古证据表明，狗是在旧石器时代（距今15000多年前）自狼分化而来，欧洲已知最早的可确定的狗遗骸可追溯至至少14000年前。但因缺乏全基因组数据，这些早期欧洲狗的起源难以证实。

在第一项研究中， 英国东安格利亚大学的Anders Bergström和同事分析了在欧洲和周边发现的216份犬和狼遗骸的基因组。最古老的样本是一只来自瑞士Kesslerloch遗址的早期犬类，经放射性碳测年法测定，可追溯至14200年前。基因组分析表明，Kesslerloch犬与其他地区的犬有共同祖先，这表明家犬遗传分化的开始早于14200年前，且欧洲旧石器时代的犬并非分化自独立的驯化过程。作者还发现，部分欧洲新石器时代犬只中存在西南亚起源血统流入，反映出农业向欧洲传播过程中人类的迁徙。但这种遗传影响在犬类中比在人类中要小，表明当地狩猎采集群体中的狗对新石器时代——甚至可能是现代——欧洲狗的形成影响巨大。

在另一项独立研究中，德国慕尼黑大学的Laurent Frantz和同事分析了多处犬类遗骸基因组，分别来自土耳其Pınarbaşı（约15800年前）、英国高夫洞穴（Gough’s Cave，约14300年前）以及塞尔维亚两处中石器时代遗址（年代分别为约11500–7900年前和8900年前）。结果表明，至少在14300年前，家犬已在西欧亚大陆广泛分布。这些旧石器时代的犬在遗传上具有相似性，属于一个在18500至14000年前在这一地区扩散的种群。这些遗骸与多个遗传和文化各异的人类狩猎采集群体有关，表明狗的扩散可能与这些群体的迁移和互动有关。

这些研究共同为犬类在欧洲的早期存在与扩散提供了有力的遗传学证据，将欧洲经遗传学证实的犬类存在时间推至旧石器时代晚期（约15800–14200年前）。此外，这些研究还为古代人类群体如何迁徙、互动以及与最早的狗的共同生活提供了新的见解。

《自然》的一项研究表明，与历史二氧化碳（CO₂）排放相关的未来经济成本，可能至少十倍于因同一排放量已产生的成本。这项研究提供了一种衡量损失和损害的方法，可用于量化二氧化碳排放者造成的负债。

气候变化对人类产生了重大负面影响，而受害最大的人群往往仅造成极小部分的历史排放量。这些影响促使了政治和法律层面的努力，旨在将损害与具体的排放行为挂钩。然而，对于这些无法通过气候减缓和气候适应来解决的损失和损害，其界定尚不清晰。

美国斯坦福大学的Marshall Burk和同事提出了一个量化框架，基于对气温升高与经济产出（主要基于GDP）之间关联的估算，以及一套能够将排放变化转化为变暖变化的气候模型，旨在将单独排放与全球及地方损害联系起来。由此估算的二氧化碳排放造成的损失与损害，可通过三个组成部分计算得出：因过去二氧化碳排放已发生的历史损害；预计将由这些历史排放引发的未来损害；以及由当前或未来排放引发的预计未来损害。作者估算，1990年排放的1吨二氧化碳到2020年已造成180美元的全球累计损害，但到2100年还将造成额外的1840美元损害。作者探讨了不同地区特定排放者造成的损害实例，估计自1990年以来，美国的排放已在全球范围内造成10万亿美元的损害，包括印度的5000亿美元和巴西的3300亿美元。欧洲各国在此期间的排放量已造成超过6万亿美元的全球损害。研究人员还计算出，过去十年间每年的一次长途飞行，到2100年将导致约2.5万美元的未来损害。

作者指出，计算出的损害额并不一定意味着二氧化碳排放者“欠”受影响地区多少赔偿，因为赔偿是一个道德和法律问题。然而，界定与气候变化相关的损失和损害，有助于引导工作来限制未来损害，包括使排放者对其排放所致损害承担责任。尽管碳移除策略可能有潜力减少此类“债务”，但这项研究认为，这些策略仅在排放发生时实施才能发挥良好效果。

发表在《科学报告》上的一项研究详细描述了2023年7月在多米尼加海岸附近对一头野生抹香鲸（Physeter macrocephalus）分娩过程的观察。作者指出，这些研究发现代表了迄今为止已发表文献中对野生鲸类（包括鲸、海豚和鼠海豚）分娩最深入的观察。

鲸类的野生分娩观察案例极为罕见，目前记录在案的物种不足鲸类总数的10%。

Shane Gero、David Gruber和同事利用空中无人机、水下声学监测和船载摄影技术，在一群此前曾被研究的11头抹香鲸中观察到了此次分娩过程。他们报告称，分娩过程持续了33分钟，而产后不到一分钟，该抹香鲸群的成员便将新生幼鲸托出水面，置于成年雌鲸的头部和背部。出生约两小时后，该抹香鲸群体开始分散，新生幼鲸则与母亲（名为“Rounder”）、同父异母的姐姐（“Accra”）以及姨妈（“Aurora”）一同行动。作者指出，一年后观察到该幼鲸与“Accra”和“Aurora”在一起，并推测它在度过生命第一年后，很可能将存活至成年。

在整个分娩过程中，作者记录了被称为“尾声”（codas）的发声——先前研究认为这些发声与这些抹香鲸所属的更广泛文化氏族的社会身份有关。这些发声可能有助于分娩期间的社会纽带形成。研究人员还观察到，在分娩过程中的关键时刻，发声模式发生了变化，包括节奏更慢、持续更长的尾声，以及类似人类“a”和“i”元音的新型声音，这些被称为“尾声元音”。由于这些发声可在数百米外被探测到，研究人员推测，在抹香鲸群附近并与其互动的短肢领航鲸（Globicephala macrorhynchus）和弗氏海豚（Lagenodelphis hosei）群体可能听到了这些声音。

对九种鲸类野生分娩记录的综述表明，作者观察到的这种协同抬举行为仅在另外三种齿鲸中有所记载——伪虎鲸（Pseudorca crassidens）、虎鲸（Orcinus orca）和白鲸（Delphinapterus leucas）。作者推测，这种行为可能可追溯至3400多万年前，即这些物种的最后共同祖先时期。他们认为，随着早期鲸类开始在较深水域分娩，这种行为可能由此演化，旨在降低新生幼崽溺水的风险。

发表于《通讯-生物学》的一项涉及人类、小鼠和猪细胞的研究表明，模拟低重力（微重力）条件会对精子细胞的运动、卵子受精以及早期胚胎发育产生负面影响。该研究结果突显了微重力环境下哺乳动物生殖可能面临的一些挑战。

未来十年内，人类计划开展载人登月和火星任务——这两个目的地均属于微重力环境。此前研究已表明微重力会影响人类的男性性激素水平以及小鼠干细胞的分化，但其对生殖细胞行为和早期胚胎发育的影响尚不明确。

澳大利亚阿德莱德大学健康学院生殖与发育学科的Nicole McPherson和同事利用一种名为“回转器”（Clinostat）的连续旋转装置，模拟微重力环境，并将其与标准地球重力环境进行对比，观察人类、小鼠和猪的精子在模拟宫颈的狭窄通道中的行为表现。研究人员发现，与标准地球重力环境相比，在微重力条件下能够通过该通道的人类精子数量显著减少，尽管两种条件下精子的整体运动强度相似。然而，当向系统中加入100微摩尔孕酮（一种由发育中的卵子分泌、有助于精子导航的激素，其正常浓度通常为10微摩尔）后，精子的活动能力部分恢复到了标准地球重力下的水平。小鼠和猪的精子在模拟微重力环境下穿越通道的能力也较弱，尽管猪精子的运动效率未受影响。

当研究人员对比小鼠和猪细胞的受精成功率及胚胎发育情况时，发现小鼠卵子在微重力环境中暴露4小时后，成功受精的比例比在标准地球重力下进行的相同实验中低30%。此外，与标准地球重力条件相比，经4小时微重力暴露后，达到囊胚发育阶段的猪胚胎数量也较少。

综合来看，这些发现表明，尽管哺乳动物的生殖过程可在模拟微重力环境下进行，但这些条件对其产生了负面影响。作者指出，目前尚不清楚完全在微重力环境下受精和发育的胚胎能否维持妊娠，并建议未来的研究应评估人类和动物在太空中的长期生殖可持续性。