В наш век информационных технологий сложно найти человека, который хотя бы раз не слышал об овечке Долли, генетических экспериментах, страшном слове «клонирование». Однако клонирование придумал, вообще говоря, не человек, для многих организмов клонирование представляется совершенно естественным процессом.
Ирина Бодэ раскладывает по полкам основы технологии и рассказывает о том, к чему приведет развитие клонирования.
Природные корни
Самым простым способом размножения всегда было простое деление надвое. Такое деление позволяет популяции очень быстро занять весь ареал, не искать полового партнера, а также не требует специальных приспособлений вроде половых клеток. Таким способом размножаются, например, бактерии. Однако все дочерние бактерии – это генетические копии материнской, поэтому при возникновении негативного внешнего фактора под угрозой оказывается вся популяция. Как же тогда бактериям удается участвовать в гонке вооружений с антибиотиками? Тут все дело в мутациях и в открытом в 1946 году примитивном половом размножении бактерий, с помощью которого бактерии и способны передать полезные мутации другому поколению.
Некоторые растения тоже способны размножаться вегетативно, например, картофель или тюльпан. Размножение растений вегетативным способом позволяет человечеству сэкономить много времени и приносит большие урожаи.
Клонирование происходит даже в животном мире, например, у некоторых видов ящериц, броненосцев, распространено оно и у насекомых. Таким образом, можно сделать вывод, что сам процесс является не чем-то, придуманным человеком, а вполне себе рабочей схемой для многих организмов.
Научно-фантастическая индустрия часто представляет клонов эдакими зомби или двойниками. Все это не соответствует действительности. Клон, вопреки одному из мнений, не является ксерокопией донора ДНК, это всего лишь идентичный генетически организм, который в процессе своего развития может начать выглядеть совершенно по-другому (сравнить их можно с однояйцевыми близнецами с одинаковым генотипом, но с разными интересами, внешними признаками и взглядами на жизнь).
Виды клонов
Процесс клонирования потенциально дает человечеству невероятные возможности. Мы не будем касаться в данном материале этических сторон данного феномена, а сосредоточимся на самом процессе, истории и том, почему человеку пришло в голову начать исследования в этом направлении.
Существуют разные виды искусственного клонирования: генетическое, репродуктивное, терапевтическое. Генетическое клонирование подразумевает под собой воспроизведение генов, сегментов ДНК. Репродуктивное – создание копий исходной особи. Терапевтическое относится к созданию эмбриональных стволовых клеток для экспериментов по созданию искусственных тканей, которые можно использовать для пересадки, например, при ожогах. Генетическое клонирование очень сильно отличается от репродуктивного и терапевтического. Последние используют очень много одинаковых подходов и методик, однако цели у них разные.
Исследователи используют техники клонирования для создания множества копий генов, которые они используют. Процедура состоит в том, что исследуемый ген включается в ДНК организма, называемого вектором. После этого вектор (чаще всего это бактерии, вирусы, дрожжи) в лабораторных условиях воссоздает множество копий гена, синтезирует белок и вообще делает много полезных штук. Таким образом, например, получают инсулин, встраивая ген инсулина человека в геном бактерий, которые синтезируют столь необходимый гормон.
Для репродуктивного клонирования и создания клона исследователи выделяют взрослые соматические клетки, затем переносят ДНК в яйцеклетку, из которой предварительно было изъято ядро. Затем такая яйцеклетка имплантируется в матку суррогатной матери.
Живая копия
Во второй половине XIX века Август Вейсман предположил, что объем генетической информации с каждым делением уменьшается, а результаты дифференцировки зависят от последовательности разделения генома между клетками. Эта теория была привлекательна тем, что ее можно было проверить. Экспериментально она как будто была подтверждена в 1888 году Вильгельмом Ру, который при помощи горячей иглы уничтожил одну из клеток двуклеточного эмбриона лягушки (бластомеров), из которого впоследствии развилась только половина зародыша. Он предположил, что некоторые гены теряются в процессе развития, что приводит к такому ущербному развитию.
Однако эти результаты вскоре были опровергнуты немецким биологом Хансом Дришем, создателя так называемого критического витализма, учении о наличии в живых организмах какой-то сверхъестественной сущности, которая не может быть объяснена с научной точки зрения. Он экспериментально выявил, что каждый из физически разделенных бластомеров зародышей морских ежей образует целые эмбрионы. Аналогичные результаты были получены из выделенных бластомеров амфибий.
Из разделенной яйцеклетки получались отдельные особи, из чего можно было заключить, что организм обладает невероятной способностью воспроизводить целое из части. Ученый пытался доказать, что существует какой-то определенный фактор целостности, который отличает живое от неживого. Эту внутреннюю силу он назвал так же, как и Аристотель, энтелехией. Энтелехия по Аристотелю – это та сила, которая позволяет дереву вырасти из семечка. В конечном итоге именно результаты этих экспериментов сыграли огромную роль в формировании точки зрения Дриша на мир и явились своего рода фундаментом, на котором была построена концепция витализма.
Впоследствии проводилось множество опытов с саламандрами и лягушками.В одной из серии экспериментах на зародышах саламандры немец Ханс Шпеман перевязывал оплодотворенную яйцеклетку при помощи волоса таким образом, чтоб ядро оставалось в одной части клетки. В итоге делиться продолжала только половина зиготы. После четырех клеточных делений, ученый ослаблял петлю, давая ядру сдвинуться в сторону непролиферирующей части зиготы. Эта клетка переросла в новый эмбрион и продолжила делиться.
По сути это был первый случай ядерного переноса, было показано, что ядро с раннего эмбрионального периода управляет ростом зародыша. Шпеман также сформулировал теорию организационных центров, или организаторов – определенных точек, тканей и органов в зародыше, которые определяют тип и скорость дифференцировки другой ткани или органа. Ученый работал в области проблем регенерации, а также иммунной инженерии, тесно связанных между собой. Его эксперименты, построенные на пересадке и перемене мест организаторов, являются доказательствами его микрохирургического искусства, а результаты этих опытов подтверждают теорию организаторов. Так пересаженный зачаток глаза вызывал изменения окружающих тканей, кожа рядом с зачатком везде превращалась в роговицу.
Прорыв
По-настоящему знаковым в области клонирования стало исследование Роберта Бриггса и Томаса Кинга в 1952 году, когда ученым удалось пересадить ядро из раннего эмбриона головастика в безъядерную яйцеклетку лягушки, и полученная клетка развилась в головастика. За этим последовало успешное клонирование лягушки в 1958 году Джоном Гердоном. В одном из интервью после присуждения ему Нобелевской премии Гердон замечает, что о том, что наследственная информация содержится именно в ядре клетки, люди догадывались уже давно, так, например, Август Ребер пытался в XIX веке пересадить лягушачьи ядра в жабьи яйцеклетки, но у него ничего не получилось, так как техника эксперимента еще хромала.
Отличие экспериментов Бриггса-Кинга и Гердона состояло в том, что Гердон использовал ядро кишечной клетки взрослой лягушки, а Бриггс и Кинг – ядро другой яйцеклетки. Примечательно, что Бриггс и Кинг проводили подобный эксперимент, но на другом виде лягушек. Дело в том, что американская леопардовая, которую использовали Бриггс и Кинг, размножается только раз в году, а шпорцевая – круглый год. Фактор удачи в очередной раз сыграл свою роль. Сначала скепсис его коллег крайне мешал Гердону: все же он пытался опровергнуть ранее полученные результаты таких мастодонтов от биологии, как Бриггс и Кинг. Однако вскоре его стало признавать научное сообщество, он получил звание рыцаря, а через 50 лет после публикации, в 2012 году, получил Нобелевскую премию.
Млекопитающие долгое время оставались для ученых головной болью, так как яйцеклетки млекопитающих много меньше, чем у лягушек и саламандр. Это означает, что с ними труднее производить манипуляции. Проблем добавляла также необходимость имплантации оплодотворенной яйцеклетки в матку самки. Ученые решили выбрать в качестве подопытных животных мышей и кроликов из-за их короткого репродуктивного периода. Дереку Бромхэллу в 1975 году удалось перенести ядро из эмбриональной клетки кролика в безъядерную кроличью яйцеклетку. Эту яйцеклетку не подсаживали суррогатной матери, поэтому ничего нельзя было сказать о жизнеспособности эмбриона, но даже такие результаты уже были большим успехом.
На пути к Долли
В 1984 году впервые было создано животное благодаря ядерному переносу. Эксперимент провел датский ученый Стин Вилладсен, используя клетки эмбриона ягненка. Результатом эксперимента стало рождение трех живых ягнят. Очень похожие эксперименты были проведены также и на коровах. Ученый проводил эксперименты по созданию химер, животных, которые были наполовину овцы, наполовину коровы. О личности ученого его коллега, доктор Эндрю Уотсон, с которым Вилладсен работал некоторое время отзывался о нем так: «Он не следует бездумно какому-то существующему пути, а прокладывает свой собственный. Он устанавливает правила и тенденции».
Сам Вилладсен все детство провел на ферме. Какое-то время будущий ученый работал ветеринаром на скотобойне, его работа заключалась в потрошении свиных туш. Однако осознав, что тратит свою жизнь без смысла, он бросил свою работу и уехал в Копенгаген, чтобы заняться исследованием созревания яйцеклеток коров в лаборатории. Так началась его карьера ученого в области клонирования.
Его эксперименты с химерами в Кембридже были весьма успешными, однако в 1985 году Вилладсен снова разочаровывается и покидает Англию и теряет след своих творений. Он подозревал, что, как и большинство созданных животных, они были в конечном итоге убиты. Но его работа не осталась незамеченной. Она заставила обратиться к клонированию еще неизвестно тогда ученого Иэна Уилмута, человека, создавшего Долли.
Иэн Уилмут в 1973 году был частью команды ученых, которая произвела на свет первого теленка из замороженного эмбриона, названного впоследствии Фрости (Морозный). Его карьеру изменил разговор в пабе в 1986 году, когда ему сообщили о еще неопубликованной работе Вилладсена. С тех пор Уилмут начал исследовать возможность клонирования овцы из клеток уже взрослой особи.
Британец Кит Кэмпбелл интересовался животными с самого раннего возраста. Еще совсем маленьким он постоянно таскал домой лягушек, часто их было настолько много, что они заполоняли всю кухню. После окончания школы он стал медицинским техником, но затем решил получить степень в области микробиологии, активно занимался вопросами клеточного роста. В Рослинском университете он работал над вопросами хранения генетической информации в разных типах клеток, например, может ли живое животное быть «восстановлено» из одной клетки? Кэмпбелл позже писал, что в это время было известно, что большинство клеток внутри взрослого организма содержат неповрежденный геном, однако многие ученые были настроены скептически против того, что ядра таких клеток могут быть перепрограмированы для контроля развития организма.
Ядро каждой клетки содержит полный набор генетической информации. Тем не менее, в то время как эмбриональные клетки готовы активировать любой ген, дифференцированные клетки взрослого организма уже «выключили» те гены, которые им не нужны для выполнения конкретных функций. Когда ядро взрослой клетки используется в качестве донора, его генетическая информация должна реализоваться как в эмбриональной. Часто процесс подобного «сброса настроек» является неполным, и эмбрионы не развиваются.
Когда была опубликована ложная информация об успешном клонировании мышей, финансирование исследований клонирования резко сократили. Уилмут с Кэмпбеллом работали практически одни, в то время как остальная часть научного сообщества вообще отказалась от проведения экспериментов.
Но в 1996 году у них получилось: на свет появились клоны, полученные из культивированных в лабораторных условиях овечьих клеток. Овечек назвали Мэган и Мораг.
И наконец, из 277 попыток ядерного переноса у британцев одна была удачной, и эмбрион все же подсадили суррогатной матери. В 1996 году Иэн Уилмут и Кит Кэмпбелл создали овечку Долли, первое млекопитающее, которое было создано из соматической клетки посредством ядерного переноса.
Уже в 1997 году Иэн Уилмут, Кит Кэмпбелл и Ангелика Шнике проводили новый эксперимент. На этот раз исследователи ввели ген человеческого фактора IX, отвечающего за свертывание крови (при его отсутствии возникает один из видов гемофилии), в геном клеток кожи овец, выращенных в лаборатории. В честь Долли овечки были названны Полли и Молли. Для создания трансгенной овцы ученые проводили ядерный перенос ДНК донора из культивированных трансгенных клеток. Результатом стали пробы молока овец, в которых был найден фактор IX. Этот эксперимент показал, что овцы могут быть использованы для получения биоинженерного молока, содержащего многие полезные белки. Такие результаты открыли множество дверей, в частности, для потенциальной коммерциализации производства.
Результаты этих экспериментов – показатель того, как кооперация талантливых людей позволяет достигать новых научных высот.
Первоначальный взрыв внимания повлек за собой волну моральной и этической дискуссии о том, к чему могут привести такие эксперименты, может ли клонирование человека стать возможным уже в ближайшее время? Кэмпбелл резко отвергал такую возможность, назвав подобный исход нереальным. Однажды он даже сказал, что «существуют группы людей, которые считают, что жизнь начинается в момент зачатия и что мы не должны использовать эмбрионы для своих исследований». Он также добавил, что как только потенциальная выгода будет ясна для каждого, методика будет встречаться с большим одобрением.
Кэмпбелл утверждал, что это направление исследований приведет к важным достижениям в областях здравоохранения, связанных с возрастными заболеваниями и разработкой новых методов лечения людей и животных, а также может помочь сохранить вымирающие виды.
После эксперимента с Долли множеством ученых были проведены эксперименты по клонированию млекопитающих, в 1997 году на свет появился первый клон примата. Клонирование идентичных приматов уменьшило бы количество необходимых для научных исследований животных. Из 29 эмбрионов два смогли развиться, в итоге родились две обезьяны, Нэти и Дитто.
За последние 50 лет ученые смогли клонировать довольно много видов животных: кошек, собак, быков, крыс, кроликов, оленей. Считается, что таким способом можно предотвратить вымирание редких видов, возможно, даже возродить некоторые из уже вымерших. Так, например, ведутся исследования по генетической реконструкции птицы додо, маврикийского дронта. Исследования возглавляет молекулярный биолог Бэт Шапиро из калифорнийского университета Санта-Круз. В перспективе такие исследования дают возможность возродить вымерших мамонтов или динозавров.
Болезни клонов
Овечку Долли пришлось усыпить в 2003 году. За время своей жизни она успела оставить после себя потомство и стать самой известной овцой в истории. В целом она была самой обычной овцой. Некоторые исследователи не связывают ее смерть с клонированием, так как болезни, которыми болела Долли, были свойственны и обычным, не клонированны, овцам: тяжелый артрит, заболевания легких. Другие же ученые настаивают на связи между клонированием и уменьшенной продолжительности жизни.
Исследователи наблюдали некоторые неблагоприятные последствия для здоровья у клонов. К ним относятся увеличение размеров тела при рождении и различные дефекты в жизненно важных органах. Другие проблемы относятся к преждевременному старению и проблемам с иммунной системой. Еще одной потенциальной проблемой является относительный возраст хромосом. По мере деления клеток, концевые участки хромосом, теломеры, уменьшаются. Со временем они становятся настолько короткими, что клетка не может больше делиться, и погибает. У клонов хромосомы могут быть короче, чем обычно. Некоторые ученые связывают с этим смерть Долли, которая прожила в среднем на 6 лет меньше, чем обычные овцы.
Перспективы
Одним из последних ярких достижений в области клонирования является получение стволовых клеток посредством ядерного переноса, статья об этом была опубликована 15 мая 2013 года в журнале Cell. Шухрат Миталипов и его коллеги оказались первыми, кто использовал ядра соматической клетки для создания человеческого эмбриона, который мог бы быть использован как источник стволовых клеток. Успех данного эксперимента открывает новые горизонты использования стволовых клеток пациентов. Например, можно будет использовать их для понимания причины заболевания и нахождения подходов к персонализированному лечению.
Эмбриональные стволовые клетки обладают уникальной возможностью генерировать практически все типы клеток в организме. Они могут быть использованы для замены пораженных тканей в лабораторных условиях. Кроме того, можно будет больше узнать о молекулярных причинах болезней, изучая линии эмбриональных стволовых клеток клонов больных людей и животных. Также они могут являться отличными моделями для тестирования новых терапевтических препаратов.
Многие исследователи считают, что изучение стволовых клеток в ракурсе терапевтического клонирования является залогом успеха в лечении заболеваний человека. Тем не менее, некоторые эксперты обеспокоены поразительным сходством между стволовыми и раковыми клетками. Оба типа могут размножаться до бесконечности, показано, что в стволовых клетках могут накапливаться мутации, которые могут привести к развитию рака. Таким образом, необходимо более четко понимать связь и разницу между этими типами клеток, а для этого нужны дальнейшие исследования.
Что же касается человека, то многим представляется невероятно привлекательной мысль о том, что можно клонировать, например, Чака Норриса, чей клон сможет радовать нас еще многие года на телевидении. Конечно, есть и более адекватная причина: клонирование может быть использовано для выращивания донорских органов. Однако клонирование человека до сих пор остается чем-то из рода фантастики.
С технической точки зрения, клонирование человека гораздо сложнее, чем других млекопитающих. Одной из причин является то, что клеточный центр, необходимый для деления клеток, расположен в непосредственной близости от ядра в яйцеклетках. Следовательно, удаление ядра из яйцеклетки может затронуть и клеточный центр, препятствуя делению. Кроме того, некоторые красители и ультрафиолет, которые используются для проведения удаления, могут привести к повреждению яйцеклетки и предотвратить ее рост.
Репродуктивное клонирование является крайне неэффективной техникой, и большинство эмбрионов не может развиться в здоровых особей. В сочетании с проблемами безопасности это является большим препятствием для применения техники в целях воспроизводства.
***
Очевидно, что клонирование станет обыденной реальностью в ближайшие десятилетия, и многие неразрешимые проблемы медицины останутся навсегда в прошлом.
