Теория клонирования

  В последние десятилетия  прошлого века происходило бурное  развитие одной из интереснейших  ветвей биологической науки - молекулярной генетики. Уже в  начале 1970-х годов возникло новое  направление генетики - генная инженерия.  На основе ее методологии начали  разрабатываться различного рода  биотехнологии, создаваться генетически  измененные организмы. Появилась  возможность генной терапии некоторых  заболеваний человека. К настоящему  времени учеными сделано множество  открытий в области клонировании  животных из соматических клеток, которые успешно применяются на практике.Идея клонирования Homo sapiens ставит перед человечеством такие проблемы, с какими оно прежде не сталкивалось. Так развивается наука, что каждый ее новый шаг несет с собой не только новые, неведомые ранее возможности, но и новые опасности.

 Клонирование человека сейчас  уже очень близко к реальности  благодаря историческому научному  прорыву д-ра Яна Вильмута и его коллег из Великобритании. Эта возможность потенциально дает всем нам невероятные преимущества. К сожалению, на обсуждение этой темы с самого начала оказывали влияние сенсационные, но вводящие в заблуждение сообщения СМИ, и общая негативная эмоциональная реакция, порожденная ошибочной научной фантастикой. Отрицательное отношение к клонированию людей - больше следствие захватывающей дух новизны идеи, чем каких-либо реальных нежелательных последствий. При разумном регулировании преимущества клонирования людей существенно перевесили бы недостатки. Если введенная в заблуждение общественность наложит полный запрет на клонирование человека, это оказалось бы печальным эпизодом в человеческой истории.

1.Теория клонирования

Термин  клон  происходит  от  греческого  слова  «klon», что  означает  веточка, побег, отпрыск. Клонированию  можно  давать  много  определений, вот  некоторые  самые  распространенные  из  них, клонирование – популяция  клеток  или  организмов  произошедших  от  общего  предка  путём  бесполого  размножения, причём  потомок  при  этом  генетически  идентичен  своему  предку. Клонирование – образование идентичных потомков (клонов) путём бесполого размножения. Результатом клонирования является популяция клеток или организмов с одинаковым набором генов (генотип).

           Воспроизводство   организмов  полностью  повторяющих   особь, возможно  только  в   том  случае, если  генетическая  информация  матери  будет   без каких-либо  изменений   передана  дочерям. Но  при   естественном  половом  размножении   этому  препятствует  мейоз.  В  ходе  этого  незрелая  яйцеклетка, имеющая  двойной,  или  диплоидный  набор  хромосом  – носителей  наследственной  информации – делиться  дважды  и  в  результате  образуются  четыре  гаплоидных, с  одинарным   набором  хромосом, клетки. Три   из  них  дегенерируют, а   четвёртая  с  большим   запасом  питательных  веществ,  становится  яйцеклеткой. У   многих  животных  она  в   силу  гаплоидности  не  может   развиваться  в  новый   организм. Для  этого  необходимо  оплодотворение. Организм, развившийся  из  оплодотворенной яйцеклетки, приобретает признаки, которые определяются  взаимодействием материнской и отцовской наследственности. Следовательно, при половом размножении мать  не  может быть  повторена в потомстве. Как же  вопреки этой  строгой закономерности  заставить клетку  развиваться только  с материнским диплоидным  набором хромосом?    Теоретически  решение этой  трудной биологической проблемы     найдено.

Для процедуры клонирования (или  копирования) используется молекула ДНК  того живого существа, которое предполагается копировать. Молекула ДНК заимствуется из одного живого организма и вживляется внутрь яйцеклетки другого живого существа того же вида. Тотчас же после  этого  процесса вживления применяется  электрический шок, которые вызывает начало стремительного процесса деления  яйцеклетки. Таким образом, внутри яйцеклетки формируется эмбрион, зародыш. Эмбрион, продолжающий делиться, помещают в  матку любого животного того же вида и ждут, пока созревающее внутри живого существа животное не родится  на свет.

Клонирование происходит в три  основных этапа:

1. Из яйцеклетки самки полностью  удаляется ДНК. Таким образом,  клетка становится пустой оболочкой,  которая не имеет генетической  информации.

2. В эту пустую оболочку вводится предварительно реактивированная зрелая клетка (клетка-донор).

3. Оплодотворенная яйцеклетка пересаживается  в матку самки (суррогатной  матери). Плод, которого донор и  клон генетически идентичны, как  и однояйцовые близнецы. Близнецы  тождественны генетически, однако, подрастая, часто оказываются  совершенно разными личностями. Это отличие вызвано: 

Донор и клон генетически идентичны, как и однояйцовые близнецы. Близнецы тождественны генетически, однако, подрастая, часто оказываются совершенно разными  личностями. Это отличие вызвано:

а)уникальностью души, как следствие, характеров;

 б) различием жизненного опыта. 

        Единственная  разница между близнецом и  клоном заключается в том, что  близнецы — ровесники, а клон  отделен от матрицы поколением  или, если быть более точным, возрастом донорской клетки.

 2.Виды   клонирования

  На сегодняшний день известно  несколько видов клонирования, среди  которых наиболее близким к  естественному размножению является  эмбриональное клонирование. В ходе  этого процесса создается дубликат  плода, который сформирован в  матке матери естественным путем.  Ученые научились делить зиготу  на ранней стадии ее развития  на две и более частей. В результате такого разделения появляется клон первоначальной зиготы, и обе зиготы впоследствии вырастают в близнецов, рожденных путем эмбрионального клонирования. В природе сходные процессы нередко происходят и без участия человека, когда появляются на свет однояйцовые близнецы. Таким образом, путем эмбрионального клонирования можно получить клон ребенка еще на эмбриональном этапе его развития.

        Однако в  настоящее время основное внимание  исследователей сосредоточено на  клонировании путем пересадки  ядер. Между учеными существуют  большие разногласия по поводу  того, являются ли полученные  таким способом особи клоном в полном смысле этого слова. Дело в том, что эукариотическая клетка, обладающая оформленным клеточным ядром, содержит два различных генома. Геномом называется совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма. Один из них находится в ядре (яДНК) и наследуется в соответствии с законами Менделя. Другой располагается в митохондриях (мДНК) и передается через цитоплазму яйцеклетки. Этот процесс называется цитоплазматической наследственностью.

При клонировании млекопитающих путем  пересадки ядер донорская соматическая клетка под воздействием электрического тока целиком сливается с цитоплазмой  безъядерной яйцеклетки. В результате такого слияния в яйцеклетку переносится  как яДНК, так и мДНК донорской клетки.

 Таким образом, гибридная  клетка содержит мДНК как из донорской, так и из реципиентной цитоплазмы.

До недавнего времени для  подтверждения пересадки ядер и  происхождения полученных особей изучалась  только их яДНК. Лишь недавно ученые начали детально изучать геном   митохондрий и влияние цитоплазматической наследственности.

 В зависимости от целей,  поставленных перед исследователями,  клонирование путем пересадки  ядер бывает репродуктивным и  терапевтическим.

 Репродуктивное клонирование  – это искусственное воспроизведение  в лабораторных условиях генетически  точной копии любого живого  существа. Целью репродуктивного  клонирования является создание  клона – генетической копии  живущего или даже давно умершего  существа. Овечка Долли стала  первым примером подобного клонирования  крупного животного. Весь этот  процесс состоит из нескольких  стадий. Сначала у женской особи  берется яйцеклетка, из которой  микроскопической пипеткой вытягивается  ядро. Затем в безъядерную яйцеклетку  вводится любая клетка, содержащая  ДНК клонируемого организма. Фактически, она имитирует роль сперматозоида  при оплодотворении яйцеклетки. С момента слияния клетки с  яйцеклеткой начинается процесс  размножения клеток и рост  эмбриона.

 Репродуктивное клонирование  имеет огромное научное и прикладное  значение для животноводства, но  если речь идет о клонировании  человека, то оно единодушно осуждается общественностью и подавляющим большинством ученых.

          Во многих  странах, включая Россию, репродуктивное  клонирование человека с целью  получения детей-клонов запрещено  законом. В Великобритании подобное  клонирование человека карается  тюремным заключением сроком  до 10 лет. Терапевтическое клонирование  отличается от репродуктивного  клонирования тем, что по прошествии двух недель роста эмбриона процесс размножения клеток искусственно прерывается.

           По  мнению большинства ученых, после  14-дневного срока в эмбриональных  клетках начинает развиваться  центральная нервная система  и конгломерат клеток (эмбрион,  бластоцист) уже следует считать живым существом.

         Еще одно  отличие терапевтического клонирования  от репродуктивного заключается  в изначальной цели этого процесса. Целью терапевтического клонирования  является получение не клонов  живых существ, а так называемых  эмбриональных стволовых клеток (ЭСК). В ходе исследований было  установлено, что образующиеся  в течение первых 14 дней ЭСК  способны в дальнейшем превращаться  в специфические тканевые клетки  отдельных органов (сердца, почек,  печени, поджелудочной железы и  т.д.) и использоваться в медицине  для терапии многих заболеваний.  Законодательство Великобритании  разрешает проводить терапевтическое  клонирование и исследовать возможности  дальнейшего применения стволовых  клеток в медицинских целях.  В России многие ученые, например, академик РАМН Н.П.Бочков, профессор Института молекулярной генетики В.З.Тарантул, предпочитают не употреблять термин «терапевтическое клонирование» и называют этот процесс «клеточным размножением».

 Каковы же перспективы терапевтического  клонирования?

         По мнению  исследователей, получение в большом  количестве ЭСК даст возможность  медикам лечить диабет, болезнь  Паркинсона, болезнь Альцгеймера,  инфаркт миокарда, болезни почек,  печени, заболевания костей, крови и многие другие болезни.

3.Клонирование растений

Клонирование,  прежде  всего,  изначально  относится  к  вегетативному  размножению. Клонирование  растений  черенками, почками  или  клубнями  известно  уже  более  4  тысяч  лет. Начиная  с  70-х  гг.  нашего  столетия  для  клонирования  растений  стали  широко  использовать  небольшие  группы  и  даже  соматические (неполовые)  клетки. Дело  в  том, что  у  растений  в  отличие  от  животных  по  мере  их  роста, в  ходе  клеточной  специализации – дифференцировки – клетки  не  теряют  так  называемые  тотипотентные  свойства, то  есть,  не  теряют  своей способности реализовывать всю генетическую  информацию, заложенную  в ядре. Поэтому практически любая растительная  клетка, сохранившее в процессе  дифференцировки своё  ядро, может дать  начало  новому  оргазму. Эта особенность растительных  клеток  лежит в основе  многих  методов  генетики  и  селекции. При вегетативном  размножении и при клонировании  гены  не  распределяются  по  потокам, как в случае  полового  размножения, а сохраняются в полном  составе в течение многих  поколений. Все организмы, входящие  в состав  определённого клона имеют одинаковый  набор генов и фенотипически не  различаются между собой. Клетки  животных, дифференцируясь, лишаются  тотипотенстности, и в этом, одно  из  существенных  отличий от  клеток  растений. Как будет показано  ниже  именно  здесь главное препятствие для клонирования  взрослых  позвоночных животных.

4.Клонирование животных

Клонирование  шелкопряда.В  изобретение клонирования  животных,  несомненно,  надо  отдать  должное русским учёным. Сто лет тому  назад русский зоолог  московского университета  А.А.Тихомиров  впервые открыл, что яички тутового  шелкопряда  в результате  различных химических  и физических  воздействий начинают  развиваться  без  оплодотворения.Однако это развитие, названное партеногенезом, рано  останавливалось: партеногенетические эмбрионы  погибли ещё до  вылупления  личинок из  яиц. Но  это уже была  прелюдия  к  клонированию  животных.Л.Л. Астауров  в 30-е гг.  в результате  длительных  исследований, получивших  мировую известность, подобрал  термическое воздействие, которое одновременно  активизировало  неоплодотворённое яйцо к развитию и блокировало стадию  мейоза, то  есть  превращение диплоидного ядра  яйцеклетки  в гаплоидное. Развитие  с ядром, оставшимся  диплоидным, заканчивалось вылуплением  личинок, точно повторяющих генотип матери, включая и пол. Так, в результате  амейотического  партеногенеза   были  получены  первые  генетические  копии, идентичные  матери.Количество  вылупившихся  партеногенетических гусениц находилось  в зависимости  от  жизнеспособности  матери. Поэтому у «чистых»  пород вылупление  гусениц не  превышало 1%, в то  время как у значительно более жизнеспособных  межрасовых  гибридов  оно достигло  40-50%. Несмотря  на  огромный  успех, автор этого метода  пережил горькое разочарование: партеногенетическое потомство характеризовалось пониженной  жизнеспособностью на  эмбриональных и постэмбриональных стадиях развития (гусеницы, куколки, бабочки). Гусеницы  развивались неравномерно, среди них было  много уродливых, а завитые ими коконы  различались  по  массе. Позже  Астауров  улучшил метод, применив  гибридизацию между селекционными линиями.Так  он  смог  повысить  жизнеспособность  у новых клонов  до  нормы, но  довести до  этого уровня  другие  количественные  признаки  ему не  удалось: например  масса партеногенетических коконов не  превышала 82%  от  массы нормальных коконов такого  же  генотипа.Позднее  установили  причины партеногенетической депрессии и сложными  методами, которые позволили накапливать «гены партеногенеза», вывели  новые высоко жизнестойкие  клоны самок, а позднее и партеногенетических самцов. Скрещивая таких самцов  со  своими  «матерями»  или склонными к партеногенезу самками других  клонов, получили  потомство с ещё большей склонностью к партеногенезу. От  лучших  в этом  отношении самок  закладывали  новые  клоны.  В результате  многолетнего  отбора  удалось накопить  в генотипе  селекционируемых клонов невиданно большое число генов, обуславливающих высокую склонность  к партеногенезу. Вылупление  гусениц достигло  90%, а их  жизнеспособность  повысилась  до  95-100%, опередив  в этом  отношении обычные породы  и гибриды. В  дальнейшем  «скрестили»  с  помощью  партеногенетических  самцов  два  генетически резко  отличающихся  клона  разных  рас  и  от  лучших  гибридных  самок  вывели  сверхжизнеспособные  клоны.Наконец, научились клонировать самцов  тутового  шелкопряда. Это стало возможным после того, как удалось получить  самцов, у которых все парные  гены  были  идентичными, или гомозиготными. Вначале таких самцов  клонировали особым  мужским партеногенезом (андрогенезом). Для этого воздействием  гамма-лучей и высокой температуры лишали  ядро  яйца  способности к оплодотворению. Ядро проникшего  в такое яйцо  сперматозоида, не  встретив  дееспособного женского ядра, само, удваиваясь, приступало к развитию мужского  зародыша, который естественно повторял  генотип отца. Таким способом  ведутся мужские клоны  в  десятках  поколениях.Позже  один  из  таких клонов  был преобразован  в обо половую линию, также состоящих из  генетически идентичных  (за  исключением половых хромосом)  теперь  уже самок и самцов. Поскольку положивший  начало  этой  линии полностью гомозиготный  отец  возник  в результате  размножения, приравненного к самооплодотворению, то  сам он  и линия двойников обоего  пола  имеют пониженную  жизнеспособность. Скрещивая между собой две такие линии, стали без труда получать  гибридных и высоко  жизнеспособных  двойников в неограниченном  количестве.Итоги  клонирования  шелкопряда: полученные  клоны самок и самцов  тутового шелкопряда  для практического шелководства  непригодны, но  это не  крах  всех  надежд. Целесообразно использовать  клоны не  для непосредственного применения  в шелководческой  практике, а на  племя для выдающегося по  продуктивности  потомства. Примерная схема использования клонов  в промышленном  производстве  выглядит  следующим образом. Из  большого  количества  коконов выбирают  те, из  которых развиваются выдающиеся  по  продуктивности  самки, и от  каждой  получают  партеногенетическое потомство, для дальнейшей  работы  используют  партеногенетических клоны, которые повторяют высокую продуктивность  матери  и проявляют высокую склонность  к партеногенезу. За этим  следует скрещивание с определёнными клонированными  самцами, и из полученного гибридного поколения выбирают два производства, только те клоны, которые дали прекрасное во всех  отношениях  потомство. Его высокие качества  обусловлены не  только  предшествующей  селекцией, а ещё и тем, что в процессе  отбора  особей  на  высокую склонность к партеногенезу в их генотипе  образуется  комплекс  генов жизнеспособности, компенсирующей вредное влияние  искусственного  размножения. При  переводе  клонов  на  половое  размножение  этот  комплекс, оказавшись  несбалансированным, сильно  повышает  гетерозис.

Первые  опыты  на  амфибиях

      Возможность  клонирования    эмбрионов  позвоночных  впервые   была  показана  в  конце  40-х  начале  50-х  гг.  в   опытах  на  амфибиях, когда   российский  эмбриолог  Георгий   Викторович  Лобашов  разработал  метод  пересадки  (трансплантации)  ядер  в  яйцеклетку  лягушки.  В  июне  1948  года  он  отправил  в  «Журнал  общей  биологии»   статью, написанную  по  материалам  собственных  экспериментов. Однако  на  беду  Лобашова  в  августе  1948  года  состоялась  печально  известная  сессия  ВАСХНИЛ, утвердившая  по  воле  коммунистических  вождей  беспредельное  господство  в  биологии  малограмотного  агронома  Т.Д. Лысенко, и  набор  статьи  Лобашова,  принятой  к  печати, был  рассыпан, потому  что  она  доказывала  ведущую  роль  ядра  и  содержащихся  в  нём  хромосом  в  индивидуальном  развитии  организмов. Работу    Лобашова    забыли, а        в 50-х гг.  американские  эмбриологи  Бригс  и Кинг  выполнили сходные опыты, и приоритет достался  им, как это часто случалось в истории российской  науки. Бригс  и Кинг  разработали микрохирургический  метод пересадки ядер  эмбриональных клеток  с помощью тонкой  стеклянной  пипетки в лишённые  ядра  клетки (энуклеированные  клетки).Они  установили, что  если  брать  ядра  из  клеток  зародыша  на  ранней  стадии  его  развития – бластуле (бластула – стадия  в  развитии  зародыша, представляющая  собой  полный  шар  из  одного  слоя  клеток), то  примерно  в  80%  случаях  зародыши  благополучно  развиваются  дальше  и  превращаются  в  нормального  головастика. Если  же  развитие  зародышей  продвинулось  на  следующую  стадию – гаструлу, то  лишь  менее  чем  в  20%  случаев оперированные клетки развивались нормально. Эти  результаты  позже  были  подтверждены  в  других  работах.

Большой  вклад  в  эту  область  внёс  английский  биолог  Гордон. Он  первый  в   опытах  с  южноафриканской  жабой   Xenopus  laevis  в качестве  донора ядер использовал не зародышевые клетки, а уже вполне  специализировавшиеся клетки эпителия кишечника плавающего  головастика. Ядра  яйцеклеток-реципиентов он  не  удалял  хирургическим путём, а разрушал  ультрафиолетовыми лучами. В  большинстве  случаев  реконструированные  яйцеклетки  не  развивались, но  примерно  десятая  часть  из  них  образовывала  эмбрионы, 5%  из  этих  эмбрионов  достигали  стадии  бластулы, 2,5% стадии  головастика  и  только  1%  развивалось  в  половозрелые особи  (схема)  однако  появление  нескольких  взрослых  особей  в  таких  условиях  могло  быть  связано  с тем, что  среди  клеток  эпителия  кишечника  развивающегося  головастика  довольно  длительно  присутствуют  первичные  половые  клетки, ядра,  которых  могли быть  использованы  для пересадки. В последующих работах, как самого  автора, так и других  исследователей  не  смогли  подтвердить  данные  этих  первых  опытов. Позже Гордон модифицировал эксперимент. Поскольку большинство реконструированных  яйцеклеток  с ядром клетки  кишечного эпителия  погибают  до  завершения  стадии  гаструлы, он  попробовал  извлечь из  них ядра  на  стадии  бластулы  и снова пересадить  их  в новые энуклеированные  яйцеклетки, такая процедура называется  «серийной пересадкой». Число зародышей с нормальным  развитием после этого увеличилось,  и они развивались до  более поздних стадий  по  сравнению с зародышами, полученными в   результате  первичной пересадки ядер.