История клонирования животных

По принятому в науке определению клонирование является точным воспроиз­ведением того или иного живого объекта в каком-то количест­ве копий. Вполне естественно, что все эти «копии» должны обладать идентичной наследственной информацией, т. е. нести идентичный набор генов. Клон – точная генетическая копия организма.

Для генетиков растений получение клонов вообще не соста­вляет никаких проблем. В ряде случаев и у животных получение клона не вызывает особого удивления и является рутинной процедурой, хотя и не такой уж простой. Генетики получают подобные клоны, когда используемые ими объекты размножа­ются посредством бесполым путем, без предшествующего оплодотворения.

Естественно, те особи, которые будут развиваться из потом­ков той или иной исходной половой клетки, будут в генетичес­ком отношении одинаковыми и могут составить клон.

У нас в стране, например, блестящие работы по клонирова­нию такого рода выполняет на шелкопряде с помощью разработанной им специальной методики академик Владимир Алек­сандрович Струнников. Выведенные им клоны шелкопряда славятся на весь мир. Он, однако, продемонстрировал и то, что члены одного клона могут сильно отличаться друг от друга и об­наруживают значительное разнообразие по целому ряду коли­чественных признаков — величине, продуктивности и плодовитости. В ряде клонов это разнообразие бывает боль­шим, чем в генетически разнообразных популяциях.

Получают клоны и в экспериментальной эмбриологии. Ес­ли зародыша морского ежа на стадии раннего дробления искус­ственно разделить на составляющие его клетки — бластомеры, то из каждой разовьется целый организм. В ходе последующего развития зародышевые клетки теряют эту замечательную спо­собность и становятся более специализированными.

У многих объектов можно также использовать ядра так на­зываемых стволовых эмбриональных клеток от какого-нибудь конкретного раннего эмбриона, которые еще не являются очень специализированными (таковым будет их потомство). Эти ядра пересаживают в яйцеклетки, из которых удалено соб­ственное ядро, и такие яйцеклетки, развиваясь в новые орга­низмы, опять-таки могут образовать клон генетически идентичных животных.

У человека известны случаи своеобразного «естественного» клонирования — это так называемые однояйцевые близнецы, которые возникают благодаря редко встречающемуся естест­венному разделению оплодотворенной яйцеклетки на два отде­ляющихся друг от друга и, в последующем, самостоятельно развивающихся бластомера. Такие, как их принято называть, монозиготные (однояйцевые) близнецы очень похожи друг на друга, но не идентичны!

Однако нынче речь идет о другого рода клонировании, а именно, о получении точных копий взрослого животного, «прославившегося» какими-то своими выдающимися качества­ми (например, рекордные надои молока, высокий настриг шер­сти и т. д.), а также ученого мужа или политика, или артиста, особо ценного для человечества в силу его, скажем, гениально­сти. Вот тут-то не все так просто, как порою пытается предста­вить пресса.

История клонирования берет начало в далеких 40-х годах, когда выдающийся советский эмбриолог Георгий Викторович Лопашов разработал метод пересадки ядер в яйцеклетку амфибий. В июне 1948 г. он отправил в «Журнал общей биологии» статью, написанную по материа­лам своих экспериментов.

К сожалению, в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, запретившая генетику и утвердившая безраздельное господство в биологии «народного академика» Трофима Денисовича Лысенко. Набор статьи Лопашова, принятый к печати, был рассыпан, потому что она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организмов.

Однако была опубликована короткая заметка в Докладах Академии Наук СССР, так и озаг­лавленная «Пересадка компонентов ядер овоцитов в оплодо­творенные яйца тритонов» (1946).

Работу Лопашова забыли, а в 1952 г. американские эмб­риологи Роберт Бриггс и Томас Кинг выполнили сходные опыты, и приори­тет достался им, как уже часто случалось в истории нашей науки. Эти ученые осуществили перенос ядра из клеток зародыша лягушки в энуклеированный ооцит, получив жизнеспособгых головастиков.

В дальнейшем Джон Гердон из Великобритании усовершен­ствовал методику и стал удалять из яйцеклетки лягушек собст­венное ядро и трансплантировать в нее разные ядра, выделенные из специализированных клеток (рис. 1). В конце концов, он дошел до того, что начал пересаживать ядра из кле­ток взрослого организма, в частности, из эпителия (покровные клетки) кишечника. Более того, к 1960 году Гердон добился того, что яйце­клетки с чужим ядром развивались, и в определенном проценте случаев до поздних стадий. В результате 1—2% особей проходили стадию метаморфоза и превращались во взрослых лягушек.

Впрочем, получались такие лягушки не без дефектов, да и вы­глядели более хилыми по сравнению со своим «родителем», так что даже в этом случае едва ли можно говорить об абсолютно точном копировании.

Тем не менее, вокруг достижений британского ученого под­нялся большой шум. И вот тут-то заговорили о клонировании млекопитающих и человека: если можно клонировать лягушку, почему бы не попробовать то же самое на других объектах. В разных лабораториях пытались пересадить в яйцеклетку млекопитающих ядра, но безуспешно. Эта операция оказалась слишком травматичной, предпочти­тельнее было применить метод
соматической гибридизации, т. е. перенос чужеродного ядра с помощью слияния яйцеклетки с соматической клеткой, ядро которой требовалось в яйцеклет­ку «переместить». Именно такой подход использовал впоследствии Ян Вильмут при получении овечки Долли.

Рисунок 1 - Схема клонирования лягушки по Гердону [1]

В конце 70-х годов американец швейцарского происхожде­ния Карл Иллменсее опубликовал статью, из которой следова­ло, что ему удалось получить клон из трех мышек. И вновь «клональный бум» вытеснил все остальные научные новости, вновь зазвучали фанфары, возвещавшие об осуществлении ве­ковой мечты человечества о бессмертии, достижимом, впро­чем, своеобразным способом — через искусственное производство себе подобных копий.

Однако в научной среде поползли слухи, что в опытах Иллменсее что-то нечисто, что их никому (даже самым искусным экспериментаторам) не удается воспроизвести... В конце концов, была создана автори­тетная комиссия, поставившая на работе Иллменсее крест, при­знав ее недостоверной. Таким образом, по самой проблеме был нанесен весьма болезненный удар, и поставлена под сомнение ее разрешимость. На какое-то время воцарилось спокойствие. И вдруг, как гром с ясного неба — овечка Долли!

Что же произошло? В феврале 1997 г. появилось сообщение, что в лаборатории Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург, Шотландия) разработан эффективный метод кло­нирования млекопитающих и на основе его использования по­лучена овечка Долли. Схема экспериментов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема генетического клонирования овцы [1]

Прежде всего, естественно, необходимо было выделить ооциты (яйцеклетки). Их извлекли из овец Шотландская черно­мордая, поместили в искусственную питательную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при темпера­туре 37°С и проводили операцию энуклеации (удаление собст­венного ядра).

В качестве донора ядра использовали диплоидные клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет (имеет белую мордочку). Эти клетки выводили из стадии роста клеточ­ного цикла, разбавляя сыворотку, и через пять дней вводили ядро в энуклеированный ооцит через «блестящую» оболочку яйца zona pellucida. Слияние ядра с ооцитом достигали с помощью слабого электрического «удара». Подобный метод намного раньше использовали в СССР, в Пущине.

Развивающийся зародыш культивировали в течение шести дней в искусственной среде или в яйцеводе овцы, перетянутом лигатурой ближе к рогу матки. На стадии морулы или бластоцисты эмбрионы (от одного до трех) транс­плантировали в матку приемной матери, где они могли разви­ваться до рождения.

Из 236 опытов успех сопутствовал лишь одному, в результа­те которого и родилась овечка Долли (рис. 3), содержащая генетичес­кий материал взрослой овцы, умершей три года назад. Авторы использовали ряд методов, чтобы сопоставить геном овец-до­норов и реципиентов, в частности, метод определения так на­зываемых микросателлитных последовательностей ДНК, который позволяет идентифицировать «личность» объекта на­подобие отпечатков пальцев.

Рисунок 3 - Клонированная овечка Долли и её приёмная мать [1]

После этого Вильмут заявил, что технически возможно осу­ществить и клонирование человека, но в этом случае возника­ют моральные, этические и юридические проблемы, связанные с манипуляциями над эмбрионами человека.

Перед биологией, казалось бы, открылись новые заманчивые перспективы, снова стали задумываться над гло­бальными проектами, всерьез обсуждать этическую сторону проблемы, а наиболее предприимчивые «организаторы науки» наперебой бросились доставать деньги под это дело. Почему-то никто не обратил внимания на то, что даже если у Вильмута было все в порядке, процент выхода рожден­ных животных был ничтожно мал — всего одна овечка из 236 попыток. А что с остальными? И все ли действительно у Вильмута было в порядке, достаточно ли чисто были проведены его эксперименты?

В одном из номеров авторитетного и престижно­го журнала «Science» появилось сообщение д-ра Витторио Сгарамелла из Италии и Нортона Зайндера из США, в котором авторы обвиняют Вильмута и его коллег в подтасовке и фальсификации результатов их экспериментов по клонированию млекопитающих. Они считают, что не представ­лено убедительных доказательств того, что Долли — продукт клонирования.

Кроме всего прочего оказалось, что три ведущих в данной области лаборатории пытались воспроизвести результаты опы­тов Вильмута, но безуспешно! Авторы статьи в «Science» указы­вают и на возможный источник ошибки шотландских эмбриологов. Дело в том, что овца, у которой брали соматичес­кие клетки для Долли, была беременна. А известно, что фетальные клетки (клетки зародыша) у некоторых животных могут попасть в кровоток. Вильмут признал что упустил из виду это обстоятельство и не исклю­чил возможности такого рода просчета в его экспериментах.

Недавно, впрочем, точными молекулярно-генетическими исследованиями было доказано, что Долли все же является кло­нированной овечкой и, следовательно, выдвинутые возражения можно считать снятыми.

Многочисленные же публикации вроде того, что в Японии уже получили клон человека или что где-то бродят стада клони­рованных коров являются либо ошибочными, либо сознатель­ной мистификацией. Во всяком случае, в серьезной научной литературе подтверждения подобных сенсаций отсутствуют.

2. Проблемы в клонировании животных

Особый интерес вызывают опыты группы ученых из университета в Гонолулу во главе с Риузо Янагимачи. Авто­рам удалось усовершенствовать метод Вильмута, они отказа­лись от электрической стимуляции слияния донорской соматической клетки с яйцеклеткой и изобрели такую микро­пипетку, с помощью которой можно было «безболезненно» из­влекать ядро из соматической клетки и трансплантировать его в «обезъядренную» яйцеклетку.

Кроме того, авторы использовали в качестве донорских от­носительно менее дифференцированные ядра клеток, окружа­ющих ооцит. Наконец, удалось синхронизировать процессы, протекающие в яйцеклетке и трансплантируемом в нее ядре, что позволило обеспечить «естественные» ядерно-цитоплазматические взаимоотношения между ядром и цитоплазмой, поскольку трансплантируемое дифференцированное в опреде­ленном направлении ядро и цитоплазма яйцеклетки до того ра­ботали как бы в «разных» режимах.

Суть этих экспериментов Янагимачи отражена на рис. 4. Авторы использовали для трансплантации ядра клеток, окру­жающих ооцит, кле­ток Сертоли из семенников и клеток, выделенных из мозга (авторы утверждают, что нейронов, однако из текста статьи не очень понятно, нейронов или глии).

Рисунок 4 - Схема клонирования мышей по Янагимачи [1]

Ядра, выделенные из сома­тических клеток, инъецировали в энуклеированное яйцо с по­мощью микропипетки. Яйцо активировали к развитию помещением в специальный раствор. Эмбрионов культивиро­вали до стадии 2-8 клеток и затем трансплантировали в матку приемной матери, где многие из них имплантировались и неко­торые (15-16%) продолжали развитие. Процент «выхода» рож­денных мышат (их извлекали с помощью кесарева сечения на 18—19-й дни беременности) был, однако, низок — в разных сериях экспериментов от 2 до 3%.

Молекулярные исследования доказали принадлежность ядер рожденных мышат к клеткам донора соматических клеток. Следовательно, получение клона принципиально возможно и в этом случае. Однако получе­ние клона еще не означает полу­чения точной копии клонирован­ного животного.

Исследо­ваниями В. А. Струнникова было пока­зано, что в партеноклонах шелкопряда разнообразие по многим признакам может быть даже выше, чем в обычной популяции. А однояйцевые (монозиготные) близнецы человека, разви­ваются в матке одной матери, т. е. в абсолютно равных услови­ях, так что пределы колебаний различных признаков в рамках нормы реакции сведены к минимуму, тем не менее, и у них об­наруживают отличия, иногда существенные.

В случае использования приемных матерей при клонирова­нии млекопитающих столь идеальные условия создать невозмо­жно, и, значит, абсолютная точность копирования исходной особи едва ли может быть обеспечена.

Следовательно, хотя работы Яна Вильмута и ученых из Гоно­лулу являются, бесспорно, выдающимся достижением, перспе­ктивы их дальнейшего развития следует оценивать с осторожностью. На самом деле получить абсолютно точную ко­пию данного конкретного животного (а именно такая конечная цель ставится сейчас в экспериментах по клонированию!) на­много сложнее, чем это представляется при поверхностном знакомстве с проблемой. А скорее всего — невозможно!

И дело вовсе не в технической разработке методов клониро­вания. Дело в том, что структурно-функциональные изменения ядер в ходе индивидуального развития животных достаточно глубоки: одни гены активно работают, другие — инактивируются и молчат, при этом сам зародыш представляет собой своеоб­разную мозаику полей распределения таких функционально различных генов.

И чем организм более специализирован, чем выше ступень­ка эволюционной лестницы, на которой он стоит, тем эти изме­нения глубже, и тем менее обратимы.

У некоторых организмов, например у известного кишечного паразита аскариды, генетический материал в будущих зароды­шевых клетках остается неизменным в ходе развития, а в дру­гих, соматических клетках, выбрасываются целые большие фрагменты ДН К — носителя наследственной информации (диминуция генетического материала).

В эритроцитах крови птиц яд­ра «сморщиваются» в маленький комочек и не «работают», а потому из эритроцитов млекопитающих, стоящих эволюционно выше птиц, они вообще выбрасываются за ненадобностью.

У плодовой мушки дрозофилы особенно четко выражены про­цессы, свойственные и другим организмам, — селективное ум­ножение или, наоборот, недостача каких-то участков ДНК, по-разному проявляющиеся в разных тканях.

Кстати, клонированные мышки отличаются друг от друга по некодирующей, так называемой микросателлитной ДНК, кото­рая играет важную роль в регуляции индивидуального разви­тия. Так что о полной генетической идентичности говорить не приходится.

Работами американских ученых доказано, что у клонированных животных примерно четыре процента генов работают ненормально. Следовательно, невозможно ожидать точного копирования образцов. Более того, такие аномалии в работе генов непременно приведут к развитию уродств.

А ведь широкую известность получила еще одна работа, в которой показано, что в соматических клетках в ходе их разви­тия хромосомы последовательно укорачиваются на своих кон­цах, в зародышевых же клетках специальный белок теломераза достраивает, восстанавливает их, т. е. полученные данные опять-таки свидетельствуют о существенных различиях между зародышевыми и соматическими клетками.

И, следовательно, встает вопрос, способны ли ядра сомати­ческих клеток полностью и эквивалентно заменить ядра заро­дышевых клеток в их функции обеспечения нормального развития зародыша.

Карл Иллмензее исследовал, насколько дифференцированные ядра дрозофилы способны обеспечить нормальное развитие из яйца. Оказалось, что до поры, до вре­мени зародыш развивается нормально, но уже на ранних стади­ях эмбриогенеза наблюдаются отклонения от нормы, возникают уродства, и такой эмбрион не способен превратить­ся даже в личинку, не говоря уже о взрослой мухе!

У лягушки, как существа менее развитого, чем млекопитаю­щие, ядерные изменения менее выражены, и то, во-первых, процент успеха при клонировании, как уже отмечалось, невы­сок (1-2%), во-вторых, даже те лягушки, которые достигают в опытах по клонированию взрослого состояния, не без дефек­тов, так что о точном копировании донора, к сожалению, трудно говорить даже в этом простейшем случае.

Но млекопитающие значительно сложнее лягушек по сво­ему устройству и степени дифференцированности клеток. Есте­ственно, у них процент успеха будет, по крайней мере, не выше (о чем и свидетельствуют результаты опытов Янагимачи). В связи с этим встает проблема — как возвратить изменившиеся ядра сомати­ческих клеток в исходное состояние, чтобы они могли обеспе­чить нормальное развитие той яйцеклетки, в которую их трансплантировали. Успех будет зависеть от того, удалось ли «поймать» такую соматическую клетку (из числа так называе­мых стволовых), ядро которой еще не утрати­ло свой потенциал, да еще и не повредить это ядро в процессе сложных хирургических с ним манипуляций.

Кроме всего прочего, условия развития в матке разных при­емных матерей будут различаться, а существует такое понятие как норма реакции — т. е. определенные пределы колебаний проявления данного гена в фенотипическом признаке. Это оз­начает, что в разных условиях развития зародыша одинаковые гены будут обнаруживать свое действие немножко по-разному. А ведь таких генов — тысячи! Следовательно, вероятность полного сходства «клонированных» животных будет не очень велика.

Но даже если все проблемы удастся решить и все трудности преодолеть, клонирование человека едва ли будет реальным. Действительно, допустим, что трансплантировали развиваю­щиеся яйцеклетки с чужеродными ядрами нескольким сотням приемных матерей (ведь процент выхода низкий!), чтобы полу­чить хотя бы одну единственную живую и точную копию вид­ного политического деятеля. А что будет с остальными зародышами? Ведь большая часть погибнет в утробе матери или разовьется в уродов, некоторые из кото­рых, к несчастью, родятся.

Страшные последствия таких экспериментов — сотни искусственно полученных че­ловеческих уродов! (Неслучайно «создатель» Долли Ян Вильмут вместе с выдающимся специалистом по эмбриологии млекопитающих Янишем в 2001 г. опубликовали в журнале «Science» замет­ку «Не клонируйте людей!»). Во многих странах мира изданы законы, запрещающие клонирование людей и манипуляции с эмбрионами, в том числе в России.

Что касается млекопитающих, то можно гово­рить о том, что техническая задача получения «клонированных» животных решена, однако, как уже говорилось, основной воп­рос заключается в том, насколько точно эти животные будут ко­пировать соответствующий прототип. И второй вопрос — оправдают ли результаты работ по получению подобных клонов те затраты, которых они потребуют.

Все дело в том, что состояние здоровья клонированных жи­вотных вызывает серьезные опасения. Продолжительность жизни клонированных животных ниже нормы. Так, овечка Долли дотянула лишь до половины средней продолжительности жизни овец, промучившись более 6 лет. Ее австралийский «двойник» — Матильда погибла через два года после рождения. Клонированные в различных лабораториях мыши характе­ризуются пониженной жизнеспособностью и «выдерживают» на этом свете не более половины средней продолжительности жизни, их обучаемость по сравнению с «исходным образцом» оставляет желать лучшего (это к вопросу о клонировании гени­ев! Как бы вместо гениев не получились идиоты).

Следовательно, практическое использование клонирования млекопитающих весьма проблематично. Тем не менее, опыты по клонированию продолжаются, поскольку они имеют важное фундаментальное значение. Только в таких экспери­ментах можно понять, что же все-таки происходит с клеточным ядром, с его компонентами, с ДНК в процессе индивидуально­го развития, как взаимодействуют генные сети в ходе клеточной дифференцировки и можно ли этой дифференцировкой управ­лять.