Содержание:
Что такое клонирование
Клонирование — это группа методов по созданию практически идентичной генетической копии организма, клетки или гена. Самый востребованный материал для клонирования и в лабораторных условиях, и в природе — это гены и клетки. Каждая соматическая (неполовая) клетка организма — это по сути клон предшествующей клетки, из которой развился этот организм.
Каким бывает клонирование
Естественное клонирование
Естественное клонирование встречается и у животных, и у растений. К нему относят вегетативное размножение растений, деление бактерий, размножение спорами грибов и водорослей, фрагментацию у морских звезд и кольчатых червей.
Рождение однояйцевых (монозиготных) близнецов у людей — тоже пример естественного клонирования. Правда, это клоны не родителей, а друг друга. Такие дети появляются, когда оплодотворенная яйцеклетка разделяется на несколько частей с почти идентичной ДНК. Из-за этого наследственная информация близнецов совпадает почти на 100%, за исключением генетических мутаций, эпигенетических и некоторых других факторов. Например, исследование, опубликованное в журнале Nature Genetics, показывает, что однояйцевые близнецы различаются в среднем на 5,2 мутации.
Искусственное клонирование
Существует три основных типа клонирования: генетическое (молекулярное), терапевтическое (частичное) и репродуктивное (полное).
При генетическом клонировании создаются копии генов или сегментов ДНК.
Цель терапевтического клонирования — это создание клеток или тканей, которые генетически идентичны организму донора. Такое «копирование» не предполагает создания полностью развитого организма.
Репродуктивное клонирование позволяет растить целые организмы, генетические реплики исследуемой особи.
Основные механизмы искусственного клонирования
Молекулярное клонирование
Исследуемый ген (или «чужеродная ДНК») переносится из одного организма в другой, называемый вектором. Векторами чаще всего становятся дрожжи, вирусы и плазмиды (ДНК бактерий). После вставки гена вектор стимулируют к размножению, в результате чего извлеченный ген многократно копируется. Молекулярное клонирование широко применяется в генной терапии. Этот метод используется для диагностики ВИЧ, гепатитов, цитомегаловируса и других инфекционных болезней. Молекулярное клонирование также направлено на изучение генов, создание рекомбинантных белков и генно-модифицированных организмов.
Ядерная трансплантация (Somatic Cell Nuclear Transfer, SCNT)
Это основной механизм, используемый в терапевтическом и репродуктивном клонировании. Он включает в себя пересадку ядра из клетки-донора в энуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку-реципиент. После этого яйцеклетка начинает делиться и развиваться до стадии эмбриона. Впоследствии из зародыша можно извлечь стволовые клетки, или клетки-предшественники. Такие неспециализированные клетки могут развиваться во множество различных типов клеток и тканей. Ученые могут превратить их в нервные клетки для восстановления поврежденного спинного мозга или в клетки, вырабатывающие инсулин, для лечения диабета. С помощью ядерной трансплантации исследователи изготавливают стволовые клетки для тестирования лекарств, например различных вакцин от COVID-19.
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC)
iPS-клетки получаются, когда взрослые клетки, например эпителий, перепрограммируют так, чтобы они были похожи на эмбриональные стволовые клетки. Это делается через редактирование определенных генов или введение факторов, которые активируют гены, характерные для стволовых клеток. iPS-клетки могут затем специализироваться в различные типы клеток, что делает их полезными для терапии определенных заболеваний. Например, iPS-клетки могут стать бета-клетками поджелудочной железы для лечения диабета, клетками крови для борьбы с лейкемией или нейронами для лечения неврологических расстройств.
Клонирование методом деления яйцеклетки
Яйцеклетка делится на несколько частей, каждая из которых может развиться в эмбрион. Этот метод также используется для получения стволовых клеток в клеточной медицине и клонирования животных.
Как сейчас используется клонирование
Клонирование активно применяется во многих сферах жизни человека. Одно из перспективных применений терапевтического клонирования — это клеточная терапия в медицине. Например, с помощью терапевтического клонирования ученые воссоздают ткани для трансплантации органов. У терапевтического клонирования есть большой потенциал в контексте заместительной клеточной терапии: оно помогает в борьбе с болезнью Паркинсона, мышечной дистрофией Дюшенна, сахарным диабетом и онкологическими заболеваниями.
Сейчас репродуктивное клонирование чаще всего используется для сохранения генетического материала домашних животных и в сельскохозяйственных целях. Так, у генетически идентичных животных гораздо проще контролировать фенотип (совокупность разных признаков организма). Тогда желательные черты лучше и точнее передаются будущим поколениям, а риски генетических дефектов стремятся к минимуму. Это способствует повышению качества и продуктивности скота.
С помощью клонированных животных исследователи проще и эффективнее изучают медицинские препараты и заболевания в контролируемой среде. Важно, что в работе с клонированным животным исключается фактор изменчивости, который может быть при манипуляциях с животными естественного происхождения.
Клонирование применяется и для контроля популяции исчезающих видов, обеспечения биоразнообразия. Правда, не все кейсы такого клонирования удачны. Например, в 2009 году группа ученых воссоздала букардо (пиренейского горного козла) — вид, объявленный вымершим в 2000 году. Однако новорожденный умер через 7 минут из-за дефектов в легких.
Тем не менее с каждым годом удачных экспериментов по клонированию становится все больше. Например, в 2009 году ученые под руководством репродуктивного биолога Нисара Ахмад Вани произвели на свет первого клонированного верблюда — самку по имени Инджаз. По заявлению Вани, клонирование может сохранить геном одногорбых верблюдов — дромадеров, которые ценятся и как производители молока, и как быстроногие животные.
В 2022 году китайские ученые из Sinogene Biotechnology Company клонировали другой исчезающий вид животных — арктического волка. А в феврале 2023 года американская компания ViaGen Pets показала вторую в мире клонированную лошадь Пржевальского — генетическую копию первого клонированного коня по имени Курт 2020 года рождения.
Анна Иванова, биоинформатик, автор книги «Как ГМО спасают планету и почему люди мешают этому»:
«Клонирование уже сейчас помогает людям. Начиная с очевидных вещей — поддержания «чистых линий» экспериментальных животных, благодаря которым мы можем стандартизированно изучать человеческие заболевания, и заканчивая совсем неочевидными вещами вроде возвращения генетического разнообразия видам, утратившим его вследствие человеческой деятельности. Таким образом сегодня по полям скачет жеребенок лошади Пржевальского по имени Курт, который добавит свои свежие гены к современной — генетически однородной из-за истребления в середине прошлого века — популяции. А еще есть американский хорек по имени Элизабет Энн, и эта очаровательная девчонка может сильно помочь нам вернуть на планету почти исчезнувший вид животных».
Клонирование также используется в коммерческих и рекламных целях. Так, австралийский стартап Vow, специализирующийся на производстве синтетического мяса, клонировал мясо мамонта возрастом более 5 тыс. лет. Цель проекта, по словам представителя компании Джеймса Райала, — привлечь внимание к возможностям культивированного мяса. В марте 2023 года фрикаделька из мамонта пополнила коллекцию музея науки и медицины Rijksmuseum Boerhaave в Нидерландах.
Кто был первым клоном
Богатая научная история клонирования насчитывает более 100 лет. Термин «клонирование» впервые предложил биолог Джон Холдейн в 1963 году. Затем понятие перекочевало в микробиологию и селекцию, а после укрепилось в генетике. Вот некоторые ключевые события в истории клонирования.
Первый искусственно разделенный эмбрион
Можно считать, что первым клонированным организмом был морской еж. В 1885 году немецкий эмбриолог Ханс Дриш разделил бластомер (зародыш, состоящий из двух клеток) этого животного, и отделившиеся клетки выросли в полноценных особей. Эксперимент выявил, что каждая клетка раннего эмбриона (бластомера) имеет собственный полный набор наследственной информации и может вырасти в отдельный организм.
Первое клонирование эмбриона позвоночного
Начиная с 1902 года немецкий биолог Ханс Шпеман запустил серию простых экспериментов по разделению эмбрионов ящерицы. Сперва ученый сжимал с помощью детского волоса бластомеры оплодотворенного яйца саламандры, в результате чего получился эмбрион с двумя головами и одним хвостом. Шпеман продолжал изменять переменные эксперимента: время, в течение которого эмбрион был зажат, и степень давления на яйцо. Изменение условий добавило больше эмпирических доказательств в пользу того, что эмбриональные клетки могут саморегулироваться в различной степени. Шпеман также попытался разделить этим методом более развитые эмбрионы саламандры, но обнаружил, что такие зародыши погибают.
Эксперимент показал, что эмбрионы более сложных животных также могут быть разделены для образования нескольких идентичных организмов. Но сделать это можно только до определенной стадии эмбрионального развития.
Первый успешный перенос ядра из одной яйцеклетки в другую
В 1952 году Роберт Бриггс и Томас Кинг перенесли ядро из эмбриона головастика в яйцеклетку лягушки, из которой было удалено ядро. Полученная клетка развилась в головастика. Эксперимент показал, что перенос ядер — это перспективный метод клонирования. Он также подтвердил, что ядро контролирует рост клетки в целом. И что для целей клонирования лучше всего подходят клетки на ранних стадиях развития.
Перенос ядра из неполовой клетки в яйцеклетку
В 1958 году Джон Гердон пересадил ядро клетки кишечника головастика в энуклеированную яйцеклетку лягушки. Таким образом он создал головастика, генетически идентичного тому, из которого была взята кишечная клетка.
Этот эксперимент показал, что ядра не только половых, но и соматических клеток животного могут быть использованы для клонирования.
Первый эмбрион млекопитающего, созданный путем ядерного переноса
В 1975 году оксфордский ученый Дерек Бромхолл провел эксперименты с использованием эмбрионов кролика. Используя стеклянную пипетку как соломинку, Бромхолл перенес ядро из клетки эмбриона кролика в энуклеированную яйцеклетку животного. Он счел процедуру успешной, когда через несколько дней развилась морула (одна из стадий развития эмбриона).
Ученый показал, что эмбрионы млекопитающих могут быть выведены путем переноса ядер из одной клетки в другую. Правда, он также утвердил научное сообщество во мнении, что после определенной стадии развития морулы клонов млекопитающих погибают.
Первое клонированное животное
В этом эксперименте Ян Уилмут и Кит Кэмпбелл создали ягненка Долли путем переноса ядра из клетки молочной железы взрослой овцы в энуклеированную яйцеклетку (метод SCNT). До этого млекопитающее не клонировали из взрослой соматической клетки, только из половой. Из 277 попыток создать клона лишь одна привела к развитию эмбриона, из которого родилась Долли.
Первые эмбриональные стволовые клетки приматов
В 2007 году исследователи под руководством биолога Шухрата Миталипова соединили клетку взрослой макаки с энуклеированной яйцеклеткой. Эмбриону позволили некоторое время расти, затем его клетки перенесли в культуральную посуду для дальнейшего изучения.
Долгое время исследователи безуспешно пытались осуществить перенос ядер у приматов. И команда Миталипова показала, что такая трансплантация возможна. Эксперимент показал перспективы для терапевтического клонирования человека — создания индивидуальных стволовых клеток, которые можно использовать для лечения или изучения заболеваний.
Первые клонированные стволовые клетки человека
В 2013 году Шухрат Миталипов и его коллеги первыми использовали ядерный перенос соматических клеток (снова по методу SCNT) для создания человеческого эмбриона. Исследователи взяли клетки кожи пациента и соединили их с донорской яйцеклеткой. Эксперимент удался, и ученые получили первый клонированный эмбрион человека, из которого извлекли стволовые клетки. Сам эмбрион исследователи умертвили.
Как происходит клонирование животных
Животных клонируют одним из двух способов. Первый способ — это разделение эмбрионов. Ученые делят зародыш пополам, после чего половинки помещают в матку. Из каждой развивается отдельное животное, их гены практически полностью совпадают.
Второй метод — это ядерная трансплантация (SCNT). Чтобы создать клон, генетики переносят ДНК из соматической (неполовой) клетки животного в энуклеированную яйцеклетку. Последняя превращается в эмбрион с наследственным материалом от клетки-донора.
Каких животных уже клонировали
Современные методы клонирования имеют средний процент успеха около 5%. Тем не менее за годы исследований ученые клонировали корову, собаку, кошку, обезьяну, лошадь, хомяков и других животных. Такая процедура применима к любому организму, просто в каждом конкретном случае много времени уходит на подбор оптимальных условий для успешного завершения эксперимента. К 2023 году клонировано более 1,5 тыс. собак, так что это животное стало одним из самых популярных клонированных млекопитающих. При этом первым клонированным животным была всем известная овечка Долли.
Клонирование овечки Долли
Долли появилась на свет благодаря биологу Яну Уилмуту и его коллегам из Рослинского института в Шотландии. Всего ученые предприняли 277 попыток создать клонированный эмбрион. Из этих попыток только 29 зигот развились в эмбрионы. Долли стала единственным животным, которое выжило на этапе эмбрионального развития. Новорожденную овечку назвали в честь американской певицы Долли Партон. Артистка была известна в том числе благодаря выдающемуся бюсту, а Долли как раз получилась из клеток молочной железы, так что ученые усмотрели в этом забавное совпадение. «Долли произошла из клетки молочной железы, и мы не могли вспомнить более эффектной пары этих желез, чем у Долли Партон», — объяснял автор проекта Ян Уилмут.
Долли прожила шесть лет — где-то наполовину меньше, чем живут овцы. Врачи усыпили животное в 2003 году: у Долли нашли прогрессирующее заболевание легких и тяжелый артрит.
Сейчас клонирование животных стало практически рутинной лабораторной процедурой. Создание генетической копии домашнего животного обойдется его хозяину в сумму от $35 тыс. до $85 тыс. Коммерческим клонированием занимаются несколько компаний: ViaGen в США, Sinogene в Китае, Sooam Biotech в Южной Корее, Gemini Genetics в Великобритании.
Почему мы еще не клонировали мамонта и саблезубого тигра
Если клонирование животных возможно, почему мы не можем создать животное исчезнувшего вида? Самый простой ответ был бы в том, что у нас нет их ДНК. Но это не совсем так. Как отмечает Анна Иванова, разные лаборатории выделяли из древних образцов — костей, волос, шерсти, зубов и частей мумифицированной плоти — фрагменты ДНК возрастом до 2 млн лет. В том числе есть образцы древней ДНК от мамонтов и саблезубых кошек. Однако ДНК очень сильно разрушается под воздействием внешней среды, микроорганизмов, атакующих тело животного после смерти, а еще от времени. Так что обычно эти фрагменты достаточно короткие и не очень хорошего качества.
«Из множества фрагментов, — объясняет Иванова, — прочитанных из найденных в разное время останков мамонтов, ученые все-таки смогли собрать полный геном мамонта. Но на деле вышло нечто среднее, основанное на всех известных кусочках прочтения. Это как если бы мы однажды нашли пачку рваных черновиков разных версий второго тома «Мертвых душ» Гоголя и попытались собрать из них одну книгу. В общем, здесь у нас начались трудности. Дальше все усложняется тем, что иметь только ДНК нам мало. На сегодня у нас нет технологий, которые могли бы воссоздать все механизмы, которые есть в обычной живой клетке. А вот живых клеток от мамонта или саблезубой кошки у нас нет».
Хотя, продолжает ученая, однажды исследователям показалось, что им повезло. В 2010 году в мумии мамонтенка Юки из Якутии обнаружилось почти 300 г настоящей и практически целой мышечной ткани. И в 2012 году ученые якутского Института прикладной экологии Севера СВФУ подписали с корейским фондом биотехнологических исследований Sooam Biotech договор о совместной работе.
«Чтобы проверить, насколько клетки живые, — рассказывает Иванова, — из них выделили ядра (где лежат все хромосомы) и переместили их в пустые мышиные яйцеклетки. А затем подсадили эти «оплодотворенные» яйцеклетки пяти мышкам. Еще пяти мышкам подсадили яйцеклетки с ядрами из замороженных клеток слонихи. Она жила в зоопарке и скончалась за много лет до этого эксперимента. Это была контрольная группа — если бы в мышках со слоновьими ядрами начались процессы, предшествующие образованию эмбриона, то сама технология работы над клетками считалась бы успешной. И тогда возможный провал у мышек с мамонтовыми ядрами свидетельствовал бы о том, что ученые все сделали верно, но сами мамонтовые клетки были недостаточно живые. В общем, в мышках с ДНК слона деление клеток для будущего образования зародыша пошло успешно. А вот в мышках с ДНК мамонта — нет. Но это не было и полным провалом эксперимента — некоторые процессы, предшествующие первому клеточному делению, внутри «мамонтовых мышек» все-таки произошли. Огромная удача! Увидим ли мы однажды живого мамонта? Я уверена, что да. Но полученного совсем не по той технологии, какими мы получаем сегодня тысячи клонированных кошек, собак, лошадей, хорьков и кроликов».
Что мешает клонированию человека
Клонирование человека — это трудная задача для ученых. Но не с технологической точки зрения, а с этической. Сам по себе перенос ядра одной клетки в другую универсален для всех видов.
Анна Иванова:
«Сегодня законы всех стран в разной форме запрещают такую процедуру. И на то действительно есть причины. Создавая клона, вы производите нового независимого человека. Но имеем ли мы на это право? Кажется, что имеем. Ведь процедура даже технически похожа на процедуру ЭКО, которой уже очень много лет (первая рожденная при помощи ЭКО девочка давно сама стала бабушкой!). Так что, если вы очень хотите иметь своего клона, придется принять факт, что это будет совершенно другой человек, просто похожий на вас, как близнец. И уж точно на его жизнь и судьбу у вас не будет никаких прав».
Но здесь возникают этические препятствия — для отработки технологии придется проводить множество экспериментов. И в начале любой работы у ученых есть высокие риски сделать что-то не так. Причем что именно «не так», иногда нельзя понять до достаточно поздних стадий развития эмбриона или даже до рождения. Тут возникает вопрос: имеем ли мы право распоряжаться жизнью человека, который не давал нам на то согласия?
Если же этический блок будет преодолен, то такая процедура вполне может стать нашей реальностью. Эксперты оценивают гипотетическую стоимость клонирования человека в диапазоне от $50 тыс. до $200 тыс.
«Чисто технически, — размышляет ведущий генетик клиники «Атлас» Ирина Жегулина, — клонирование человека ничем не отличается от клонирования лошадки. Сделать копию лошади стоит $85 тыс. Говоря гипотетически, клонирование человека стоило бы наверняка дороже, потому что «игрушка прикольнее». Может, около $200 тыс. Но это все разговоры на уровне фантазии. Понятное дело, что этого, скорее всего, никогда не будет».
Но если клонирование целого человека пока невыполнимо, то создание копий отдельных клеток — перспективное направление, применяемое в медицине.
«Моя ставка, — отмечает Анна Иванова, — была бы на выращивание отдельных органов тела из клонированных клеток. И там ведь можно не просто клонировать — можно исправить существующее генетическое заболевание. Так, уже много лет назад мальчику, страдающему буллезным эпидермолизом (заболевание, выражающееся расслоением слоев кожи), пересадили клонированную из его клеток новую кожу, в которой технологиями генетической модификации исправили поломку. Много лет спустя уже молодой человек чувствует себя прекрасно и живет вне стен больницы, где провел начало своей жизни».
Правда ли, что клоны быстро стареют
Утверждение, что копии животных стареют быстрее оригиналов, появилось в начале 2000-х годов на основании того, что теломеры овечки Долли оказались короче, чем ожидали ученые. Теломеры — это концевые участки ДНК, предохраняющие ее от потери информации при копировании в момент деления клетки. При этом сама Долли по всем физиологическим показателям соответствовала своему возрасту на протяжении всей своей жизни. Она прожила несколько меньше средней продолжительности жизни овцы и неоднократно становилась мамой здоровых барашков.
«Ученые не знают, почему теломеры Долли были короче, чем положено, — подчеркивает Анна Иванова. — Несколько лет назад из холодильника извлекли первоначальный материал — образцы тканей той самой овечки, из которой клонировали Долли. И создали несколько новых клонированных эмбрионов. На свет появились четыре очаровательные «сестрички». И длина их теломер в порядке — все соответствует возрасту. Ученые предполагают, что тогда, при создании Долли, что-то не так было с самим протоколом клонирования».
Клонирование: за и против
Ученые не зря считают клонирование перспективной областью науки. Вот несколько ключевых аргументов в пользу клонирования.
Борьба с вымиранием видов
Поскольку некоторые организмы на планете приближаются к угрозе исчезновения, клонирование представляется возможным решением для восстановления популяций. Используя генетический материал уже умерших организмов, клонирование может даже расширить разнообразие генофонда.
Кроме того, клонирование вымерших животных и их успешное возрождение позволит ученым полностью изучить эти виды как живые организмы, а не просто исследовать их останки.
Борьба с мировым голодом
Еще одним важным преимуществом клонирования является то, что оно может помочь сельскохозяйственному производству. Манипулируя биологическими процессами, можно заранее вложить в особь определенные признаки, которые повысят качество продукции.
Помощь бездетным парам
С помощью методов клонирования бездетные пары смогут иметь детей, не обращаясь к донорской сперме или яйцеклетке. Для этого будет достаточно поместить соматическую клетку партнера в яйцеклетку родителя.
Как и любая развивающаяся технология, клонирование столкнулось с определенными ограничениями. Вот аргументы против этой процедуры.
Короткая жизнь
В обыденном сознании укрепилось мнение, что клоны живут меньше животных, из которых они были получены. Самый популярный пример, на который ссылаются критики, — овечка Долли, у которой были укороченные теломеры. По предположению ученых, из-за этого ее собственные клетки несли «возраст» исходного организма. Хотя на сегодня нет достаточных доказательств того, что все генетические копии живут меньше положенного, этот аргумент еще используется против клонирования.
Этические трудности
Один из самых сильных аргументов против клонирования связан с этическими проблемами. Процесс клонирования, по мнению критиков, — это эксплуатация живого организма, который не давал на это согласия.
Трудоемкая технология, повышенные риски
В случае с овечкой Долли было проведено 277 попыток клонирования, прежде чем генетики получили жизнеспособный эмбрион. По мнению противников клонирования, ученые будут замешаны в убийстве, если произведут такую манипуляцию с человеческим эмбрионом. Мишенью для критики клонирования человека становится не только большой процент неудач, но и связанные с этим риски рождения больных людей. Критики считают, что клонировать людей неэтично, пока процедура не станет достаточно безопасной и эффективной.
Дороговизна процедуры
Распространенный аргумент против клонирования животных — это высокая стоимость экспериментов. Создание копий организмов — долгий и трудоемкий процесс, при этом средний процент успеха в таких экспериментах будет около 5% даже при работе с привычными нам домашними видами, не говоря уже о диких.
Юридические трудности
Еще один аргумент против клонирования — это трудноразрешимые пока юридические вопросы отцовства, материнства, наследования и многие другие.
Где разрешено клонирование
На сегодня репродуктивное клонирование запрещено во всех странах. В 2005 году декларацию, запрещающую клонирование людей, приняли страны — члены ООН. В 2002 году в России вышел закон «О временном запрете на клонирование человека». Он также препятствует каким-либо манипуляциям с эмбрионами для создания копии человека.
В Великобритании и Австралии разрешено терапевтическое клонирование: допускается воссоздание клеток человека. А в США терапевтическое клонирование производится только за счет частных средств — государство не может финансировать клонирование.