Клонирование (биотехнология)
Клони́рование (англ. cloning от др.-греч. κλών - «веточка, побег, отпрыск») - в самом общем значении - точное воспроизведение какого-либо объекта N раз. Объекты, полученные в результате клонирования, называются клоном. Причём как каждый по отдельности, так и весь ряд.
Клони́рование челове́ка - действие, заключающееся в формировании и выращивании принципиально новых человеческих существ, точно воспроизводящих не только внешне, но и на генетическом уровне того или иного индивида, ныне существующего или ранее существовавшего.
Термины клон , клонирование первоначально использовался в микробиологии и селекции , после - в генетике , в связи с успехами которой и вошли в общее употребление. Надо добавить, что их популяризации в значительной мере способствовали также литература, киноискусство и компьютерные игры.
Технология
Пока технология клонирования человека не отработана. И здесь встаёт ряд как теоретических, так и технических вопросов. Однако, уже сегодня есть методы, позволяющие с большой долей уверенности говорить, что в главном вопрос технологии решён. Наиболее успешным из методов клонирования высших животных оказался метод «переноса ядра». Именно он был применён для клонирования овцы Долли в Великобритании, которая, как известно, прожила достаточное число лет (6), чтобы можно было говорить об успехе эксперимента. По мнению учёных, эта техника является лучшей из того, что мы имеем сегодня, чтобы приступить к непосредственной разработке методики клонирования человека. Более ограниченным и проблематичным выглядит метод партеногенеза, в котором индуцируется деление и рост неоплодотворённой яйцеклетки, даже если он будет реализован, то позволит говорить только об успехах в клонировании индивидов женского пола. Так называемая технология «расщепления» эмбриона, хотя и должна давать генетически идентичных между собой индивидов, не может обеспечить их идентичности с «родительским» организмом, и поэтому технологией клонирования в точном смысле слова не является и как возможный вариант не рассматривается.
Подходы к клонированию человека
Клонирование генов. Становится известно все больше специфических генов, связанных с развитием определенных болезней. Эти гены научились выделять из организма и присоединять к ним соответствующие промоторы, т.е. участки ДНК, управляющие их работой. Получаемые генные комплексы можно клонировать несколькими способами. Один из них – полимеразная цепная реакция (ПЦР), т.е. размножение нужного участка ДНК с помощью фермента полимеразы, что позволяет удваивать количество генных копий каждые несколько минут (см. также ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ). Клонированные таким образом гены можно затем ввести в организм животного (получив т.н. трансгенную особь), которое в результате приобретет способность синтезировать нужное вещество, например ценный фармацевтический продукт. Трансгенные животные служат также моделями для изучения ряда тяжелых болезней человека, в частности муковисцидоза.
Репродуктивное клонирование человека
Репродуктивное клони́рование человека - предполагает, что индивид, родившийся в результате клонирования, получает имя, гражданские права, образование, воспитание, словом - ведёт такую же жизнь, как и все «обычные» люди. Репродуктивное клонирование встречается со множеством этических, религиозных, юридических проблем, которые сегодня ещё не имеют очевидного решения. В некоторых государствах работы по репродуктивному клонированию запрещены на законодательном уровне.
Терапевтическое клонирование человека
Терапевти́ческое клони́рование челове́ка - предполагает, что развитие эмбриона останавливается в течение 14 дней, а сам эмбрион используется как продукт для получения стволовых клеток. Законодатели многих стран[уточнить] опасаются, что легализация терапевтического клонирования приведёт к его переходу в репродуктивное. Однако в некоторых странах (США, Великобритания) терапевтическое клонирование разрешено.
Препятствия клонированию
1)Технологические трудности и ограничения
Самым принципиальным ограничением является невозможность повторения сознания, а это значит, что речь не может идти о полной идентичности личностей, как это показывается в некоторых кинофильмах, но только об условной идентичности, мера и граница которой ещё подлежит исследованию, но для опоры за базис берётся идентичность однояйцевых близнецов. Невозможность достичь стопроцентной чистоты опыта обуславливает некоторую неидентичность клонов, по этой причине снижается практическая ценность клонирования.
2)Социально-этический аспект
Опасения вызывают такие моменты, как большой процент неудач при клонировании и связанные с этим возможности появления людей-уродов. А также вопросы отцовства, материнства, наследования, брака и многие другие.
3)Этико-религиозный аспект
С точки зрения основных мировых религий (христианство, ислам, иудаизм) клонирование человека является или проблематичным актом или актом, выходящим за рамки вероучения и требующим у богословов чёткого обоснования той или иной позиции религиозных иерархов.
Ключевым моментом , который вызывает наибольшее неприятие, является здесь тот факт, что для получения клона одного человека необходимо убить находящийся на самой ранней стадии развития, но уже начавший формироваться эмбрион другого человеческого зародыша.
Точку зрения буддистов выразил Далай-лама XIV:
Что касается клонирования, то, как научный эксперимент, оно имеет смысл, если принесет пользу конкретному человеку, но если применять его сплошь и рядом, в этом нет ничего хорошего
В то же время, некоторые религиозные течения (раэлиты) активно поддерживают разработки по клонированию человека.
4)Отношение в обществе
Большинство аналитиков сходится в том, что клонирование в той или иной форме уже стало частью нашей жизни. Но прогнозы касательно клонирования человека высказываются достаточно осторожно.
Ряд общественных организаций (Российское трансгуманистическое движение, WTA) выступает за снятие ограничений на терапевтическое клонирование.
5)Биологическая безопасность
Обсуждаются вопросы биологической безопасности клонирования человека. Такие как: долгосрочная непредсказуемость генетических изменений, опасность утечки технологий клонирования в криминальные или/и международные террористические структуры.
6)Законодательство о клонировании человека
В некоторых государствах использование данных технологий применительно к человеку официально запрещено - Франция, Германия, Япония. Эти запреты, однако, не означают намерения законодателей названных государств воздерживаться от применения клонирования человека в будущем, после детального изучения молекулярных механизмов взаимодействия цитоплазмы ооцита-реципиента и ядра соматической клетки-донора, а также совершенствования самой техники клонирования.
Вот такую схему клонирования приводит врач Эдди Лоренс (по материалам Русской службы ВВС).
Введение
Последние десятилетия XX века ознаменовались бурным развитием одной из главных ветвей биологической науки - молекулярной генетики. Уже в начале 70-х годов ученые в лабораторных условиях начали получать и клонировать рекомбинантные молекулы ДНК, культивировать в пробирках клетки и ткани растений и животных. Возникло новое направление генетики - генетическая инженерия. На основе ее методологии начали разрабатываться различного рода биотехнологии, создаваться генетически измененные организмы (ГМО). Появилась возможность генной терапии некоторых заболеваний человека, а последнее десятилетие XX века ознаменовалось еще одним важным событием - достигнут огромный прогресс в клонировании животных из соматических клеток.
Термин "клон" происходит от греческого слова "klon", что означает - веточка, побег, черенок, и имеет отношение прежде всего к вегетативному размножению. Клонирование растений черенками, почками или клубнями в сельском хозяйстве, в частности в садоводстве, известно уже более 4-х тыс. лет. Начиная с 70-х годов нашего столетия для клонирования растений стали широко использовать небольшие группы и даже отдельные 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 называемых тотипотентных свойств, т.е. не теряют своей способности реализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре. Поэтому практически любая растительная клетка, сохранившая в процессе дифференцировки свое ядро, может дать начало новому организму. Эта особенность растительных клеток лежит в основе многих методов генетики и селекции.
При вегетативном размножении и при клонировании гены не распределяются по потомкам, как в случае полового размножения, а сохраняются в полном составе в течение многих поколений. Все организмы, входящие в состав определенного клона, имеют одинаковый набор генов и фенотипически не различаются между собой. Клетки животных, дифференцируясь, лишаются тотипотентности, и в этом - одно из существенных их отличий от клеток растений.
Цель работы : разобраться с понятием «клонирование» в различных сферах и определить, что можно ожидать от него.
Понятие и сущность клонирования
Одним из ярких примеров достижений ученых, с проблемностью которых человечеству ещё не раз придется столкнуться - является клонирование.
Клонирование – это процесс, в ходе которого живое существо производится от единственной клетки, взятой от другого живого существа.
Клонирование обычно определяется, как производство клеток или организмов с теми же нуклеарными геномами, что и у другой клетки или организма. Соответственно, путём клонирования можно создать любой живой организм или его часть, идентичный уже существующему или существовавшему, если сохранилась информация о его нуклеарных геномах.
Клон – (от греч. сlon – отпрыск, ветвь) это группа клеток или организмов, происшедших от общего предка путём бесполого размножения и являющихся генетически идентичными. Примером клона можно назвать группу бактериальных клеток, образовавшихся в результате деления исходной клетки, потомков морской звезды, регенерировавших из частей разделённого материнского организма, клоном также являются все кусты или деревья, полученные путём вегетативного размножения. Однако вот млекопитающим способность размножаться путём клонирования природа не "предусмотрела". Высокий уровень дифференциации клеток как бы "обратной стороной медали" обозначает утрату ними способности давать начало новому организму. Однако, как показала практика, ядро даже дифференцированной клетки сохраняет все потенции, необходимые для того, чтобы дать начало новому организму.
Суть клонирования проста: требуется две клетки – одна, которая будет донором ядра и хозяин которой клонируется, и яйцеклетка, развитием которой и будет управлять подсаживаемое ядро. Собственное ядро яйцеклетки должно быть уничтожено (клетка энуклеирована). Опыт также показывает, что для клонирования лучше, если яйцеклетка не оплодотворена. Клетку-донор тем или иным способом заставляют перейти в так называемую G0-фазу или стадию покоя. После этого её ядро либо путём пересадки, либо слиянием клеток доставляется в яйцеклетку. Последняя стимулируется к делению и приступает к формированию эмбриона. Последний подсаживается в матку так называемой суррогатной матери, где в случае удачного развития формирует новый организм, являющийся генетически идентичным тому, который был донором ядра.
Сейчас наиболее известны два варианта данной методики – так называемая Рослинская и Гонолульская технологии. Первая была использована при клонировании овцы Долли Яном Вильмутом и Китом Кембеллом из Рослинского института в 1996, а вторая – группой учёных из Университета Гавайи в 1998, в результате чего было получено полсотни клонов мыши.
Ещё несколько десятилетий назад клонирование являлось скорее предметом обсуждения писателей-фантастов, нежели научных дискуссий или общественно-политических дебатов. Стремительное развитие генной инженерии и просто таки расцвет биотехнологий в 1990-е годы создали все условия к практической возможности клонирования живых существ. Научно-технический прогресс, как часто это бывает, воплотил всё в реальность.
История клонирования
Началось все с открытия яйцеклетки в 1883 году немецким цитологом О.Хертвигом, когда было установлено, что в процессе оплодотворения равноправно участвуют мужские и женские клетки.
Первые шаги к клонированию животных были предприняты около ста лет назад зоологом Московского Университета Александром Тихомировым, открывшим на примере тутового шелкопряда партеногенез: развитие без оплодотворения в результате химических и физических воздействий. Однако партеногенетические эмбрионы шелкопряда были нежизнеспособны.
В 30-е годы XX-го века академиком Борисом Астауровым проводилась серия исследований, в результате которых было подобрано термическое воздействие, способное одновременно активировать неоплодотворенное яйцо к развитию и блокировать процесс превращения ядра яйцеклетки с двойным хромосомным набором в ядро с одинарным набором. Таким образом, были получены первые генетические копии. Увы, и такое потомство отличалось низкой жизнеспособностью. В дальнейшем этот метод был усовершенствован академиком Владимиром Струнниковым, работы которого по клонированию шелкопряда получили, в итоге, мировую известность.
История клонирования позвоночных начинается в 40-е годы XX-го века, когда российский эмбриолог, профессор Георгий Лопашов на лягушках разработал метод пересадки ядер, на котором основаны все современные эксперименты по клонированию. Метод состоит в выделении ядра соматической клетки и имплантации его в обезъядренную (энуклеированную) яйцеклетку. А в 50-е годы американские эмбриологи Р.Бриггс и Т.Кинг, которым и достались первые лавры, выполнили сходные опыты по переносу ядра клетки в гигантские икринки африканской шпорцевой лягушки «ксенопус», из которых успешно развились головастики. Затем в 1962 году зоолог Оксфордского университета Дж. Гердон существенно продвинул эти результаты, когда в опытах с южноафриканскими жабами стал использовать в качестве донора ядер не зародышевые клетки, а уже вполне специализировавшиеся клетки эпителия кишечника подросшего головастика. Выживало не более двух процентов клонированного потомства, да и у выживших наблюдались различные дефекты. Однако это был огромный шаг вперед по пути клонирования.
Клонирование растений
Клонирование растений, в отличие от клонирования животных, является обычным процессом, с которым сталкивается любой цветовод или садовод. Ведь часто растение размножают отростками, черенками, усиками и т.д. Это и есть пример клонирования. Природа клонирует организмы миллиарды лет. Например, когда куст клубники дает побег, новое растение вырастает на месте, где этот побег укоренился. Новое растение, и есть клон. Такое же клонирование происходит с травой, картофелем и луком. Люди клонировали растения одним или другим способом тысячи лет. Когда вы берете лист, отрезанный от растения, и выращиваете из него новое растение (вегетативный способ), вы клонируете изначальное растение, потому что у нового растения такой же генетический набор, как и у растения – донора. Следовательно, клонированием можно считать любой процесс вегетативного размножения у растений. Процесс этот у растений значительно более простой, чем клонирование животных. Дело в том, что у растений (в отличие от животных) по мере их роста в ходе клеточной специализации - дифференцировки - клетки не теряют так называемых тотипотентных свойств, т.е. не теряют своей способности реализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре. Поэтому практически любая растительная клетка, сохранившая в процессе дифференцировки свое ядро, может дать начало новому организму.
Для клонирования растительную клетку достаточно изолировать из целого растения и поместить на питательную среду, содержащую солевые компоненты, витамины, гормоны и источник углеводов, она начинает делиться и образует культуру каллуса. В дальнейшем каллусы можно размножить и получить неограниченное количество биомассы. Основная трудность, с которой сразу же приходится сталкиваться исследователю - это то, что клетки в искусственных условиях начинают бурно делиться и расти, но при этом часто не в состоянии продуцировать вторичные метаболиты, т.е. биологически активные вещества растений. Клеточная инженерия позволяет получать гибридные штаммы, клетки или даже целые растения (растения-регенераты), скрещивая между собой филогенетически (т.е. эволюционно) отдаленные организмы. В случае неполного слияния клеток (т.е. клетка-реципиент получает отдельные участки ядерного генетического материала или части клетки-донора (органеллы)) получаются асимметричные гибриды. Делается это для того, чтобы растение реципиент получило новые удобные для человека свойства, повышенную устойчивость к вирусам, к гербицидам, к вредителям и болезням растений. Пищевые продукты, полученные из таких генно-измененных культур, могут иметь улучшенные вкусовые качества, лучше выглядеть и дольше храниться. Также часто такие растения дают более богатый и стабильный урожай, чем их природные аналоги. За последнее время созданы ряд межвидовых и межродовых гибридов табака, картофеля, томата, капусты, турнепса, сои и мн. др. Использование достижений клеточной инженерии, например, позволило разработать технологии получения безвирусных растений (например, картофеля) путем регенерации целого растения из одной соматической клетки. Ученые работают над изменением генотипов злаков. Они вводят в их генотипы специальный ген бактерий, который будет способствовать усвоению азота из атмосферного воздуха. Решение этой проблемы позволило бы сократить затраты средств на производство азотных удобрений.
Последнее десятилетие ученые строят неутешительные прогнозы относительно быстрорастущего потребления сельскохозяйственных продуктов на фоне снижения площади посевных земель. Решение данной проблемы возможно с помощью технологий получения трансгенных растений, направленных на эффективную защиту сельскохозяйственных культур и увеличение урожайности.
Получение трансгенных растений является на данный момент одной из перспективных и наиболее развивающихся направлений агропроизводства. Существуют проблемы, которые не могут быть решены такими традиционными направлениями как селекция, кроме того, что на подобные разработки требуются годы, а иногда и десятилетия. Создание трансгенных растений, обладающих нужными свойствами, требует гораздо меньшего времени и позволяет получать растения с заданными хозяйственно ценными признаками, а также обладающих свойствами, не имеющими аналогов в природе. Примером последнего, могут служить сорта растений, полученные методами генной инженерии, обладающих повышенной устойчивостью к засухе.
Однако в то время как медицинская продукция уже получила всеобщее признание, внедрение генетически модифицированных продуктов питания в некоторых развитых странах встретило сильнейшую оппозицию, связанную, главным образом, с недостатком генетических знаний и, как следствие страхами. Опасения в отношении трансгенных растений имеют под собой почву.
По мнению специалистов, трансгенные организмы, преимущественно устойчивые к вредителям (в основном за счет токсинов, происходящих из Bacillus thuringiensis) способны вызвать изменения в популяции насекомых, однако куда большее влияние оказывает применение инсектицидов. Устойчивость к солям, воде, засухе и другие характеристики будут оказывать влияние, предсказать которое трудно, поэтому приступать к этим разработкам следует с особой осторожностью.
В целом продукты селекции растений значительно менее агрессивны, чем исходные или дикие растения. Это объясняется тем, что в них человек стремится закрепить выгодные для себя качества, а это зачастую серьезно ограничивает их способность выживать за пределами фермерского поля, где культивирование и контроль за сорняками значительно облегчает им жизнь. Так, например, многие зерновые культуры отбирались по тому признаку, что их колосья не рассыпаются в процессе созревания. Это существенно облегчает уборку урожая, и в то же время препятствует естественному распространению семян. Вероятно, это окажется справедливым и в отношении генетически модифицированных растений, так как по своей основе они также представляют собой культивируемые растения. Недавние эксперименты в Великобритании показали, что сельскохозяйственные генетически модифицированные растения, тестированные на выживание в природных условиях, не имеют никаких преимуществ перед их дикими сородичами.
Создание трансгенных растений в настоящее время развиваются по следующим направлениям:
1.Получение сортов с/х культур с более высокой урожайностью
2.Получение с/х культур, дающих несколько урожаев в год (например, в России существуют ремонтантные сорта клубники, дающие два урожая за лето)
3.Создание сортов с/х культур, токсичных для некоторых видов вредителей (например, в России ведутся разработки, направленные на получение сортов картофеля, листья которого являются остро токсичными для колорадского жука и его личинок)
4.Создание сортов с/х культур, устойчивых к неблагоприятным климатическим условиям (например, были получены устойчивые к засухе трансгенные растения, имеющие в своем геноме ген скорпиона)
5.Создание сортов растений, способных синтезировать некоторые белки животного происхождения (например, в Китае получен сорт табака синтезирующий лактоферрин человека)
Таким образом, создание трансгенных растений позволяет решить целый комплекс проблем, как агротехнических и продовольственных, так и технологических, фармакологических и т.д. Кроме того, уходят в небытие пестициды и другие виды ядохимикатов, которые нарушали естественный баланс в локальных экосистемах и наносили невосполнимый ущерб окружающей среде.
Клонирование животных
Растения - не единственные организмы, которые могут быть клонированы естественно. Неоплодотворенные яйца некоторых животных (червей, некоторых разновидностей рыб, ящериц и лягушек) могут развиться в полноценное взрослое животное под определенными условиями окружающей среды – обычно с помощью разных видов стимуляции. Этот процесс называется партагинез, и потомство – клоны самок, которые отложили яйца. Другой пример естественного клонирования – идентичные близнецы. Хотя они генетически отличны от своих родителей, идентичные близнецы – естественное появление клонов друг друга. Ученые проводили эксперименты с клонированием животных, но никогда не были способны стимулировать специализированную клетку, чтобы произвести непосредственно новый организм. Вместо этого, они полагаются на пересадку генетической информации из специализированной клетки в неоплодотворенную клетку яйца, чья генетическая информация была разрушена или физически удалена.
Учитывая трудности в клонировании животных, говорить о широком практическом применении клонов в животноводстве рано. Однако перспективы у этого направления есть.
Пожалуй, одним из наиболее ярких достижений генетики за последнее время является эксперимент по клонированию овцы, успешно завершенный 23 февраля 1997 года учеными Рослинского университета в Шотландии под руководством Яна Вилмута. Для того, чтобы понять, почему публикация результатов эксперимента вызвала такой сильный общественный резонанс (в печати появились сотни публикаций, посвященных работе шотландских генетиков, а овечка Долли, выращенная в ходе эксперимента в течение нескольких недель не сходила с телевизионных экранов) нужно разобраться в сути проделанных работ.
Итак, эксперимент проходил следующим образом. На первом этапе из вымени овцы была взята клетка молочной железы, причем активность ее генов была временно погашена. После этого клетка была помещена в ооцит - эмбриональное окружение, для того чтобы генетическая ее программа перестроилась на развитие эмбриона. Одновременно с этим из готовой к оплодотворению клетки другой овцы было удалено ядро, после чего клетка несколько часов охлаждалась до температуры 5-10 градусов. На следующем этапе яйцеклетка, точнее оставшаяся от нее цитоплазма была внесена в электрическое поле, где под действием электрического тока разрушились клеточные мембраны, и цитоплазма яйцеклетки слилась с ядром, выделенным из клетки молочной железы. Оплодотворенная таким образом яйцеклетка была помещена в матку третьей овцы, которая и выносила знаменитую Долли, геном которой идентичен геному «матери», из клетки которой было взято ядро. Ян Вилмут и его сотрудники не сразу добились успеха – шесть ягнят-клонов стали жертвой научных изысканий, так как обладали генетическими дефектами почек.
Сходные эксперименты по клонированию животных проводились и раньше: еще в 70-е годы профессору Гердону из Оксфордского университета удалось осуществить пересадку ядра и таким образом клонировать лягушек, в 1995 году были клонированы крысы, проводились эксперименты с другими млекопитающими с тем лишь отличием, что вместо клеток молочной железы использовались клетки эмбриона. Колин Стюарт, известный генетик, работающий в Лаборатории исследования раковых заболеваний в Мэриленде, США, считает, что успех Вилмута во многом обусловлен тем, что ему удалось решить проблему отторжения ядра донорской клеткой, создав для ядра подходящую питательную оболочку.
После публикации работы Вилмута, выяснилось, что еще несколько крупных научных центров были близки к успеху шотландских генетиков. Были рассекречены исследования ученых Орегонского центра изучения приматов: по словам американцев, им удалось создать точные генетические копии человекообразных обезьян, правда, с использованием клеток зародыша. Выяснилось, что с 1993 году китайские генетики проводят работы по клонированию быков, российским ученым удалось клонировать каспийского осетра, а австрийцы заявили о том, что также располагают технологией генетического тиражирования. Успех клонирования млекопитающих не оставляет сомнений в том, что преодоление технических трудностей, связанных с клонированием человека, – лишь дело времени.
Клонирование человека?
Итак, работы по клонированию позвоночных были начаты на амфибиях в начале 50-х годов и интенсивно продолжаются вот уже более четырех десятилетий. Что касается амфибий, то, как было сказано в соответствующем разделе, несмотря на значительные достижения, проблема клонирования взрослых особей остается до сих пор не решенной. Установлено, что в ходе клеточной дифференцировки у позвоночных происходит или потеря определенных генных локусов или их необратимая инактивация. Судя по всему, утрачивается та часть генома, которая контролирует не ранние, а более поздние этапы онтогенеза, в частности, метаморфоз амфибий. Механизм этого явления пока не поддается научному объяснению. Но очевидно, что для клонирования взрослых позвоночных необходимо использовать малодифференцированные делящиеся клетки. Это методически важное положение было учтено в более поздних работах.В 1979 году американский биолог Мак Киннел, внесший большой вклад в работу с амфибиями, утверждал, что полученные результаты не позволяют серьерно говорить о возможности клонирования человека - тогда это казалось недоступным для экспериментальных эмбриологов. Однако еще в то время многие ученые, писатели и даже политики стали активно обсуждать возможностт клонирования человека, а некоторые исследователи даже приступили к таким экспериментам. Например, Шеттлз сообщил, что пересадил ядро сперматогониальной клетки (диплоидного предшественника зрелого гаплоидного спермия) в лишенную ядра яйцеклетку человека. В результате три реконструированные яйцеклетки начали дробление, и возникли похожие на морулы скопления клеток, которые позднее деградировали. Шеттлз полагал, что если трансплантировать такие группы клеток в матку женщины, то они могли бы нормально развиваться. Мак Киннел тогда справедливо возразил, что такое предположение маловероятно и совершенно необоснованно.
Еще 5-6 лет назад никто из ученых, а их работало довольно много в этой области, не ставил вопрос об использовании в качестве доноров ядер клеток взрослых млекопитающих. Работы сводились, в основном, к клонированию эмбрионов домашних животных, и многие из этих исследований были не очень успешны. Поэтому так поразило появившееся в начале 1997 года неожиданное для всех сообщение авторского коллектива под руководством Уилмута, что им удалось, используя соматические клетки взрослых животных, получить клональное животное - овцу по кличке Долли. На самом деле, однако, исследователи прошли долгий путь, и Уилмуту с сотрудниками пришлось собрать воедино все существовавшие к тому времени достижения, прежде чем они смогли сообщить о сенсационном результате своей работы.
У этого первого успешного эксперимента есть существенный недостаток - очень низкий коэффициент выхода живых особей (0,36%), и если учесть также высокий процент гибели развивающихся реконструированных яйцеклеток в плодный период развития (62%), который в 10 раз выше, чем при обычном скрещивании (6%), то встает вопрос о причинах гибели зародышей. Все ли пересаженные донорские ядра обладали тотипотентностью? Сохранялся ли полностью их функциональный геном (набор генов, необходимых для развития), все ли нужные для развития гены были дерепрессированы? Это очень важные вопросы, и по одному животному нельзя сделать окончательные выводы. Тем более, что результаты исследований на амфибиях говорят о необратимом характере инактивации, репрессии генов в ходе клеточной дифференцировки. Возможно, авторам крупно повезло, и они достаточно случайно в трех разных клеточных популяциях отобрали за короткий срок стволовые клетки, для которых характерна низкая дифференцированность и способность к делению. Чтобы подтвердить результат этой, в буквальном смысле слова с.енсационной работы, необходимы дополнительные исследования.
В ближайшие годы главная задача исследователей, работающих в данной области - это, по-видимому, создание культивируемых in vitro линий малодифференцированных стволовых клеток, характеризующихся высокой скоростью деления. Ядра именно таких клеток должны обеспечить полное и нормальное развитие реконструированных яйцеклеток, формирование не только морфологических признаков, но и нормальных функциональных характеристик клонированного организма.
Исследования Уилмута и сотрудников имеют не только практическое, но и большое научное значение для генетики развития. В сущности, они нашли условия, при которых цитоплазма ооцитов млекопитающих может репрограммировать ядро соматической клетки, возвращая ей тотипотентность. После публикации этой работы сразу и широко стал дискутироваться вопрос о возможности клонирования человека. Чтобы его обсуждать, имеет смысл выделить два аспекта: методический и этический.
Из изложенного выше следует, что методически или технически клонирование взрослых млекопитающих разработано еще недостаточно, чтобы можно было уже сейчас ставить вопрос о клонировании человека. Для этого необходимо расширить круг исследований, включив в него. кроме овец. представителей и других видов животных. Уилмут с сотрудниками, например, планирует продолжить свои работы на коровах и свиньях. Такие работы необходимы, чтобы установить, не ограничивается ли возможность клонирования взрослых млекопитающих особенностями или спецификой какого-либо одного или нескольких видов.
Затем необходимо существенно повысить выход жизнеспособных реконструированных эмбрионов и взрослых клонированных животных, выяснить, не влияют ли методические приемы на продолжительность жизни, функциональные характерстики и плодовитость животных. Для клонирования человека очень важно свести к минимуму риск, который, тем не менее, в определенной степени все равно останется, риск дефектного развития реконструированной яйцеклетки, главной причиной которого может быть неполное репрограммирование генома донорского ядра.
Стволовые клетки (упрощенно - клетки ранних человеческих зародышей) давно находятся в центре внимания медицины из-за своих уникальных особенностей. В этих клетках еще работают первобытно-мощные таинственные гены, которые навсегда "умолкают" в клетках взрослого человека. Потенциал роста стволовых клеток просто фантастический - достаточно вспомнить, что триллионноклеточный организм новорожденного человека образуется из одной-единственной клетки всего лишь за 9 месяцев! Но еще больше впечатляет потенциал дифференцировки - одна и та же стволовая клетка может трансформироваться в любую(!) клетку человека, будь то нейрон головного мозга, клетка печени или сердечный миоцит. "Взрослым" клеткам такая трансформация не по силам.
Еще одно свойство этих клеток превращает их в поистине бесценный объект для медицины. "Чужие" стволовые клетки, введенные в организм человека, отторгаются гораздо слабее, чем пересаженные целые органы, состоящие из уже дифференцированных клеток. Это означает, что в принципе можно выращивать в лабораторных условиях предшественники самых разных клеток (сердечных, нервных, печеночных, иммунных и др.), и затем трансплантировать их тяжело больным людям вместо донорских органов
В биологии называется процесс производства подобных популяций генетически идентичных особей, что происходит в природе, когда организмы, например, бактерии, растения или насекомые, размножаются бесполым способом. Касательно биотехнологии термин «клонирование» относится к процессам, используемым для создания копий фрагментов ДНК (молекулярное), клеток (клеточное) или организмов. Этот термин также относится к производству нескольких копий продукта, например, цифровых носителей или программного обеспечения.
... для диагностики генов и наследственных заболеваний, выявления генетических отпечатков пальцев, диагностики инфекционных заболеваний, клонирования ДНК с целью секвенирования, филогения на основе ДНК. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) - это метод биохимической технологии...Термин «клон» происходит от древнегреческого слова «klōn» («ветка»), имея в виду процесс, посредством которого новое растение может быть создано от ветки.
28 декабря 2006 г. употребление человеком мяса и продуктов питания из клонированных животных было одобрено FDA (Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) в США, без какой-либо специальной требуемой маркировки, потому что было обнаружено, что пища из клонированных организмов идентична организмам, от которых они были клонированы. Такая практика встретила сильное сопротивление из-за дезинформации в других регионах, таких как Европа, особенно в связи с проблемой маркировки.
Молекулярное клонирование
Молекулярное клонирование относится к способу получения нескольких молекул. Клонирование обычно используется для амплификации фрагментов ДНК, содержащих целые гены, но оно также может быть использовано для амплификации любой последовательности ДНК, такой как промоторы, некодирующие последовательности и случайным образом фрагментированная ДНК. Оно используется в широком спектре биологических экспериментов и практического применения, начиная от генетической дактилоскопии для крупномасштабного производства белка. Иногда термин ошибочно используется для обозначения идентификации хромосомного расположения гена, ассоциированного с определенным интересующим фенотипом, например, в позиционном клонировании. На практике локализация гена в хромосоме или геномной области не обязательно позволяет выделить или амплифицировать соответствующую геномную последовательность. Чтобы амплифицировать любую последовательность ДНК в живом организме эта последовательность должна быть связана с источником репликации, который представляет собой последовательность ДНК, способную к ориентированию распространения себя и любой связанной последовательности. Тем не менее, необходим ряд других особенностей и выбор специализированных векторов клонирования (маленький кусочек ДНК, в который может быть вставлен инородный фрагмент ДНК), которые позволяют экспрессию белка, мечение, производство одноцепочечной РНК и ДНК и целый ряд других манипуляций.
По сути клонирование любого фрагмента ДНК состоит из четырех этапов:
- Фрагментация - разрушение цепочки ДНК,
- Лигирование - склеивание фрагментов ДНК в желаемой последовательности
- Трансфекция - вставка вновь образованных фрагментов ДНК в клетки
- Скрининг/селекция - отбор клеток, которые были успешно соединены с новой ДНК
Хотя эти этапы остаются неизменными среди процедур клонирования, могут быть выбраны альтернативные способы, которые они обобщаются в качестве стратегии.
Первоначально должна быть выделена интересующая ДНК, чтобы обеспечить сегмент ДНК подходящего размера. Затем процедура лигирования используется там, где амплифицированный фрагмент встраивается в вектор (участок ДНК). Вектор (часто круговой) линеаризуется с использованием ферментов рестрикции и инкубируется с интересующим фрагментом в соответствующих условиях с ферментом ДНК-лигаза. После лигирования вектор с интересующей вставкой трансфицируется в клетки. Доступен ряд альтернативных методов, например, химическая сенсибилизация клеток, электропорация, оптическая инъекция и биолистика. Наконец, трансфицированные клетки культивируют. Так как вышеуказанные процедуры отличаются особо низкой эффективностью, существует необходимость в идентификации клеток, которые были успешно трансфицированы вектором, содержащим нужную последовательность вставки в нужном направлении. Современные векторы клонирования включают выбираемые маркеры устойчивости к антибиотикам, которые позволяют расти только клеткам, в которых был трансфицирован вектор. Кроме того, векторы клонирования могут содержать маркеры селекции цвета, которые обеспечивают синий/белый скрининг (комплементация альфа-фактора) среды X-gal. Тем не менее, эти этапы селекции не дают абсолютной гарантии, что в полученных клетках присутствует ДНК-вставка. Чтобы подтвердить успешное клонирование, должно последовать обязательное дальнейшее исследование полученных колоний. Это может быть достигнуто с помощью ПЦР, анализа рестрикционных фрагментов и/или секвенирования ДНК.
Видео о клонировании
Клетки
Клонирование клетки означает получение популяции клеток из одной клетки. При работе с одноклеточными организмами, такими как бактерии и дрожжи, этот процесс чрезвычайно прост и по существу требует только инокуляции в соответствующей среде. Тем не менее, клонирование клетки является трудной задачей в случае клеточных культур из многоклеточных организмов, поскольку эти клетки не будут легко расти в стандартной среде.
Техника культуры полезной ткани, используемая для клонирования различных клеточных линий, предполагает использование колец (цилиндров). В соответствии с этим методом, одна клеточная суспензия из клеток, которые были подвержены мутагенному агенту или препарату, используемому для симуляции селекции, высевается при высокой степени разбавления, чтобы создать изолированные колонии, каждая возникающая из единой и потенциально клональной отдельной клетки. На ранней стадии роста, когда колонии образованы только несколькими клетками, стерильные кольца полистирола (кольца клонирования), которые были погружены в смазку, помещают над отдельной колонией и добавляют небольшое количество трипсина. Клонированные клетки собирают изнутри кольца и переносят в новый сосуд для дальнейшего роста.
Стволовые клетки
Перенос ядра соматической клетки, известный как SCNT, также может быть использовано для создания эмбрионов для научных исследований или терапевтических целей. Скорей всего, целью этого является создание эмбрионов для использования в научных исследованиях стволовых клеток. Этот процесс также называется исследовательским или терапевтическим клонированием. Цель заключается не в том, чтобы создавать клонированные человеческие существа (так называемое «репродуктивное клонирование»), а в сборе стволовых клеток, которые можно использовать для изучения развития человека и потенциально лечения болезней. В то время как была создана клональная бластоциста человека, стволовые клеточные линии еще не изолированы от клонального источника.
Терапевтическое клонирование достигается за счет создания эмбриональных стволовых клеток в надежде на лечение заболеваний, таких как диабет и болезнь Альцгеймера. Процесс начинается с извлечением ядра (содержащего ДНК) из яйцеклетки и вставки ядра из взрослой клетки для клонирования. В случае пациента с болезнью Альцгеймера ядро из клетки его кожи помещают в пустую яйцеклетку. Перепрограммированная клетка начинает развиваться в эмбрион, потому что яйцеклетка реагирует с перемещенным ядром. Эмбрион станет генетически идентичным для пациента. Эмбрион затем образует бластоцисты, которые имеют потенциал формировать/становиться любой клеткой в организме.
Причина, по которой SCNT используется для клонирования, заключается в том, что соматические клетки можно легко получить и культивировать в лаборатории. Этот процесс может добавить или удалить определенные геномы сельскохозяйственных животных. Важно помнить, что клонирование достигается тогда, когда яйцеклетка сохраняет свои нормальные функции и вместо использования геномов сперматозоида и яйцеклетки для репликации яйцеклетка вводится в ядро соматической клетки донора. Ооцит будет реагировать на ядро соматической клетки, так же как на сперматозоид.
Процесс клонирования конкретного сельскохозяйственного животного с использованием SCNT относительно одинаков для всех животных. Первым шагом является сбор соматических клеток от животного, которое будет клонироваться. Соматические клетки могут быть использованы непосредственно или храниться в лаборатории для дальнейшего использования. Самая трудная часть SCNT - это удаление материнской ДНК из яйцеклетки на стадии метафазы II. После этого соматическое ядро может быть вставлено в цитоплазму яйцеклетки. Это создает одноклеточный эмбрион. Через сгруппированные соматические клетки и цитоплазму яйцеклетки затем пропускают электрический ток. Эта энергия теоретически позволит клонированным эмбрионам начать развиваться. Успешно развитые эмбрионы помещают в суррогатных реципиентов, таких как коровы или овцы в случае сельскохозяйственных животных.
Технология SCNT рассматривается как хороший метод для получения сельскохозяйственных животных для употребления в пищу. Удалось успешно клонировать овец, крупный рогатый скот, коз и свиней. Еще одним преимуществом является то, что SCNT рассматривается в качестве решения для клонирования исчезающих видов, которые находятся на грани вымирания. Однако, стресс на обе яйцеклетки и введенное ядро огромен, что приводит к большим потерям полученных клеток. Например, клонированная овца Долли родилась после использования 277 яйцеклеток для SCNT, в котором было создано 29 жизнеспособных эмбрионов. Только 3 из этих эмбрионов дожили до рождения, и только 1 дожил до взрослой жизни. Так как процедура в настоящее время не может быть автоматизирована и должна выполняться вручную под микроскопом, SCNT - очень ресурсоемкая технология. Биохимия, вовлеченная в перепрограммирование дифференцированного ядра соматической клетки и активацию яйцеклетки-реципиента, также не совсем хорошо понята.
В SCNT переносится не вся генетическая информация клетки-донора, так как митохондрии клетки-донора, которые содержат свою собственную митохондриальную ДНК, остаются. Полученные гибридные клетки сохраняют эти митохондриальные структуры, которые изначально принадлежали яйцеклетке. Как следствие, клоны, такие как Долли, которые рождаются от SCNT, не являются совершенными копиями донора ядра.
Клонирование организма
Клонирование организма (также репродуктивное) относится к процедуре создания нового многоклеточного организма, генетически идентичного другому. В сущности это форма клонирования - способ бесполого размножения, где не происходит оплодотворение или контакт между гаметами. Бесполое размножение - это естественное явление у многих видов, в том числе у большинства растений и некоторых насекомых. Ученые добились некоторых главных достижений с клонированием, в том числе бесполого размножения овец и коров. Существует много этических дискуссий по поводу того, будет или не будет использоваться клонирование. Тем не менее, клонирование или бесполое размножение было обычной практикой в садоводстве на протяжении сотен лет.
Садоводство
Термин «клон» использовался в садоводстве для обозначения потомков одного растения, которые были произведены путем вегетативного размножения или апомиксиса. Многие садовые сорта растений являются клонами, будучи производным от одной отдельной особи, умноженной каким-либо процессом, помимо полового размножения. В качестве примера можно назвать некоторые европейские сорта винограда, которые являются клоны, которых размножали на протяжении более двух тысячелетий. Среди других примеров - картофель и бананы. Прививка может рассматриваться как клонирование, так как все побеги и ветви, идущие от привитого участка, являются генетически клоном одной особи, но этот особый вид технологии не подпадает под этический контроль и, как правило, рассматривается как совершенно другой вид операции.
Многие деревья, кустарники, лианы, папоротники и другие травянистые многолетники образуют колонии клонов естественным образом. Части отдельного растения можно отделить от фрагментации и вырастить, чтобы они стали отдельными клоновыми особями. Типичным примером является вегетативное размножение мхов и клонов печеночников гаметофита с помощью гемм. Некоторые сосудистые растения, например, одуванчик и некоторые живородящие травы, также образуют семена бесполым способом, называемым апомиксисом, давая клоновые популяции генетически идентичных особей.
Партеногенез
Клональный вывод существует в природе у некоторых видов животных и упоминается как партеногенез (воспроизводство организма само по себе, без пары). Это бесполая форма воспроизводства, которая встречается только у самок некоторых насекомых, нематод, ракообразных, рыб (например, акула-молот), ящериц и дракона Комодо. Рост и развитие происходит без оплодотворения самцом. В растениях партеногенез является развитием эмбриона из неоплодотворенных яйцеклеток, и это компонент процесса апомиксиса. У видов, которые используют определение пола XY, потомство всегда будет женского пола. Примером может служить огненный муравей малый (Wasmannia auropunctata ), обитающий в Центральной и Южной Америке, но распространившийся по многим тропическим местностям.
Искусственное клонирование организмов
Эта технология может быть также названа репродуктивным клонированием.
Первые шаги
Ханс Спеманн, немецкий эмбриолог, был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1935 г. за открытие эффекта, теперь известного как эмбриональная индукция, осуществляемая различными частями зародыша, который направляет развитие групп клеток в частности тканей и органов. В 1928 г. он и его ученик, Хильде Мангольд, впервые провели терапевтическое клонирование с помощью эмбрионов амфибий - один из первых шагов в этом направлении.
Методы
В репродуктивном клонировании, как правило, используется «пересадка ядра соматической клетки» (SCNT), чтобы создать идентичных генетически животных. Этот процесс влечет за собой пересадку ядра от взрослой донорской клетки (соматической клетки) в яйцеклетку, из которой было удалено ядро, или в клетку из бластоцисты, из которой было удалено ядро. Если яйцеклетка начинает делиться нормально, ее переносят в полость матки суррогатной матери. Строго идентичными такие клоны не являются, поскольку соматические клетки могут содержать мутации в их ядерной ДНК. Кроме того, митохондрии в цитоплазме также содержат ДНК и во время SCNT эта митохондриальная ДНК целиком получена из яйцеклетки цитоплазматического донора, таким образом, митохондриальный геном не такой же самый, как у ядра клетки-донора, из которого он был произведен. Это может иметь важные последствия для межвидовой пересадки ядра, в которой ядерно-митохондриальные несовместимости могут привести к смерти.
Искусственное расщепление эмбриона или двойникование эмбриона, метод, в котором создаются монозиготные близнецы из одного эмбриона, не рассматривается таким же образом, как и другие методы клонирования. Во время этой процедуры донорский эмбрион делится на два различных эмбриона, которые затем могут быть перемещены с помощью переноса эмбриона. Она оптимально выполняется на стадии 6-8 клеток, где ее можно использовать в качестве расширения ЭКО , чтобы увеличить количество доступных эмбрионов. Если оба эмбрионы успешны, это приводит к монозиготным (идентичным) близнецам.
Овечка Долли
Долли, овца породы финн-дорсет, была первым млекопитающим, успешно клонированным из взрослой клетки. Долли была сформирована путем принятия яйцеклетки из вымени ее биологической матери. Ее биологической матери было 6 лет, когда клетки были взяты из ее вымени. Эмбрион Долли была создана путем отбора клетки и введения ее в овечью яйцеклетку. Потребовались 434 попытки, прежде чем эмбрион был успешным. Эмбрион был помещен внутрь самки овцы, прошедшей через нормальную беременность. Она была клонирована в шотландском Институте Рослин и жила там с рождения в 1996 г. и до смерти в 2003 г., когда ей было 6 лет. Она появилась на свет 5 июля 1996 г., но миру об этом объявили только 22 февраля 1997 г. Ее набитые останки были помещены в Королевском музее Эдинбурга, части Национальных музеев Шотландии.
Долли имела общественное значение, поскольку усилия показали, что генетический материал от конкретной взрослой клетки, запрограммированной для экспрессии только отличного подмножества его генов, можно перепрограммировать, чтобы вырастить совершенно новый организм. До этой демонстрации Джон Гардон показал, что ядра из дифференцированных клеток могут дать рост целому организму после трансплантации в яйцеклетку с удаленным ядром. Тем не менее, эта концепция еще не продемонстрирована в системе млекопитающих.
Доля успешных попыток первого клонирования млекопитающего (приведшего к овечке Долли) составила 277 оплодотворенных яйцеклеток и 29 эмбрионов, которые дали 3 ягнят при рождении, лишь 1 из которых выжил. Для крупного рогатого скота проводился эксперимент с участием 70 клонированных телят, треть из них умерли молодыми. Для лошадей порода Прометей было сделано 814 попыток. Следует отметить, что хотя первые клоны были лягушками, взрослая клонированная лягушка пока не получена из ядра взрослой соматической донорской клетки.
Были ранние утверждения, что овечка Долли имела патологии, напоминающие ускоренное старение. Ученые предположили, что смерть Долли в 2003 г. была связана с укорочением теломер, ДНК-белковых комплексов, которые защищают конец линейных хромосом. Тем не менее, другие исследователи, в том числе Ян Вилмут, который возглавлял команду, которая успешно клонировала Долли, утверждают, что ранняя смерть Долли из-за респираторной инфекции была связана с недостатками процесса клонирования. В 2013 г. на мышах была показана справедливость идеи о том, что ядра не старились необратимо.
Долли была названа в честь исполнительницы Долли Партон, потому что клетки, клонированные, чтобы сделать ее, были взяты из клетки молочной железы, а Партон известна своим пышным бюстом.
Клонированные виды
Современные методы клонирования с использованием переноса ядра были успешно выполнены на нескольких видах. Известные эксперименты включают:
Клонирование человека
Клонирование человека представляет собой создание генетически идентичной копии человека. Этот термин обычно используется для обозначения искусственного клонирования человека, которое является воспроизведением человеческих клеток и тканей. Это не относится к естественному зачатию и рождению близнецов. Возможность клонирования человека поднимает разногласия. Эти этические соображения побудили несколько стран пройти законодательную процедуру в отношении клонирования человека и его законности.
Два часто обсуждаемых вида технологии - это терапевтическое и репродуктивное клонирование. Терапевтическое - предполагает клонирование человеческих клеток для применения в медицине и трансплантации, и является активной областью исследований, но не в медицинской практике в любой точке мира, по состоянию на 2014 г. В настоящее время исследуются два вида терапевтического клонирования, среди которых индукция плюрипотентных стволовых клеток. В репродуктивном клонировании предполагается создание полностью клонированного человека, а не только конкретных клеток или тканей.
Этические вопросы
Есть множество этических позиций по возможности клонирования, особенно человека. Хотя многие взгляды являются религиозными по своему происхождению, есть и вопросы в плане светских перспектив. Перспективы клонирования человека являются теоретическими, а терапевтическая и репродуктивная технологии не используются на коммерческой основе; животных в настоящее время клонируют в лабораториях и в производстве животноводческой продукции.
Сторонники поддерживают развитие терапевтического клонирования в целях получения тканей и целых органов для лечения пациентов, которые в противном случае не могут получить трансплантаты, чтобы избежать необходимости применения иммуносупрессивных препаратов, а также предотвратить последствия старения. Защитники репродуктивного клонирования считают, что родители, которые не могут в противном случае иметь потомство, должны получить доступ к технологии.
У противников клонирования есть опасения по поводу недостаточно развитой технологии, чтобы считать ее безопасной, склонности к злоупотреблению (что приводит к генерации людей для заготовки органов и тканей) и опасения о том, как клонированные люди могли бы интегрироваться с семьями и с обществом в целом.
Религиозные группы разделились, некоторые выступают против этой технологии, как узурпации места Бога, утверждая, что эмбрионы используются для уничтожения человеческой жизни; другие поддерживают потенциальные выгоды терапевтического клонирования для спасения жизни.
Защитники животных выступают против клонирования животных из-за того, что они страдают от пороков, прежде чем умереть, и хотя продукты питания из клонированных животных были одобрены FDA в США, его использование отвергают группы, обеспокоенные пищевой безопасностью.
Клонирование вымерших и находящихся под угрозой исчезновения видов
Клонирование, или, точнее, реконструкция функциональной ДНК вымерших видов было мечтой на протяжении многих десятилетий. Возможные последствия этого были экранизированы в романе 1984 г. «Карнозавр» и романе 1990 г. «Парк Юрского периода». Надежды на спасение исчезающих и вымерших видов путем клонирования реализуются в виде медленного, но устойчивого прогресса. Лучшие современные методы клонирования имели среднюю долю успешных попыток 9,4% (до 25%) при работе со знакомыми видами, такими как мыши, а при клонировании диких животных, как правило, менее 1% успеха. Появились банки тканей, в том числе «Frozen Zoo» в зоопарке Сан-Диего, чтобы хранить замороженные ткани самых редких и находящихся под угрозой исчезновения видов в мире.
В 2001 г. корова по кличке Бесси родила клонированного азиатского гаура, находящегося под угрозой исчезновения, но теленок умер через 2 дня. В 2003 г. успешно клонировали бантенга, а затем 3 африканских диких кошек из талых замороженных эмбрионов. Эти успехи дают надежду, что подобные методы (с использованием суррогатных матерей другого вида) могут применяться для клонирования вымерших видов. Предвидя такую возможность, образцы тканей от последнего букардо (пиренейский козерог) были заморожены в жидком азоте сразу после того, как он умер в 2000 г. Исследователи также рассматривают возможность клонирования находящихся под угрозой исчезновения видов, таких как гигантская панда и гепард.
В 2002 г. генетики в музее Австралии объявили, что они дублировали ДНК сумчатого волка, который к тому времени вымер около 65 лет назад, с использованием метода полимеразной цепной реакции. Тем не менее, 15 февраля 2005 г. музей объявил, что он остановил проект после того, как испытания показали, что ДНК образцов слишком плохо деградировалась консервантом (этанол). 15 мая 2005 г. было объявлено, что проект «Сумчатый волк» будет возрожден, теперь с участием исследователей в Новом Южном Уэльсе и Виктории.
В январе 2009 г. впервые было клонировано вымершее животное, упомянутый выше пиренейский козерог. Это было сделано в Центре пищевых технологий и исследований Арагона, используя сохранившиеся замороженные ядра клетки из образцов кожи 2001 г. и яйцеклеток домашней козы. Вскоре после рождения козерог умер из-за физических дефектов в своих легких.
Одной из самых ожидаемых целей для клонирования когда-то был шерстистый мамонт, но попытки извлечения ДНК из замороженных мамонтов были неудачными, хотя совместная российско-японская команда работает в настоящее время в этом направлении. В январе 2011 г., по сообщениям Йомиури Шимбун, группа ученых во главе с Акирой Иритани из Университета Киото основывалась на исследованиях д-ра Вакаяма, заявив, что они извлекут ДНК из туши мамонта, которые хранились в российской лаборатории, и введут его в яйцеклетку африканского слона в надежде получить эмбрион мамонта. По словам исследователей, они надеялись произвести мамонтенка в течение 6 лет.
Ученые из Университета Ньюкасла и Университета Нового Южного Уэльса объявили в марте 2013 г., что совсем недавно вымершие реобатрахусы будут предметом клонирования в попытке воскресить вид.
Многие из таких проектов «оживления» описаны в проекте Revive and Restore Project фонда Long Now Foundation.
Продолжительность жизни
После восьмилетнего проекта, связанного с использованием новаторской техники клонирования, японские исследователи создали 25 поколений здоровых клонированных мышей с нормальной продолжительностью жизни, демонстрируя, что клонам не свойственна более короткая продолжительность жизни по сравнению с естественно родившимися животными.
В популярной культуре
В статье, опубликованной 8 ноября 1993 г. в Time, клонирование изображалось в негативном ключе, изменяя Создание Адама Микеланджело, изображая Адама с пятью одинаковыми руками. В выпуске Newsweek 10 марта 1997 г. также критиковалась этика человеческого клонирования с графическим изображением одинаковых младенцев в стаканах.
Клонирование является повторяющейся темой в различных произведениях современной научной фантастики, начиная от действия в таких фильмах, как «Парк Юрского периода» (1993 г.), «6-й день» (2000 г.), «Обитель зла» (2002 г.) и «Остров» (2005 г.), в комедиях, таких как фильм Вуди Аллена 1973 г. «Спящий».
Научная фантастика использует клонирование, чаще всего и особенно клонирование человека, из-за того, что оно поднимает спорные вопросы идентичности. В романе Олдоса Хаксли «О дивный новый мир» (1932 г.) клонирование человека является основным сюжетом, который не только управляет историей, но также заставляет читателя критически мыслить о том, что означает идентичность. Эта концепция была пересмотрена 50 лет спустя в романах К.Д. Черри «40000 на Геенне» (1983 г.) и «Сытин» (1988 г.). В романе 2005 г. Кадзуо Исигуро «Никогда не отпускай меня» сюжет сконцентрирован на клонах человека и рассматривает этику практики. Еще одна книга, которая воплощает идеи клонирования, это «Дом скорпиона», которая исследует права клонов человека и извлечение органов глазами клона. Короткий роман «Содержит Бога» С.М. Васи Хайдера также рассматривает идеи клонирования, этики, похоти и других вопросов, вращающихся вокруг темы, подчеркивая идею, что создание жизни дает людям ложное чувство божественности. Последствия использования клонов, чтобы заменить умерших близких, рассматриваются в нескольких художественных произведениях. В романе «Двойная личность» Маргарет Питерсон Хаддикс главная героиня обнаруживает, что она - клон своей покойной старшей сестры. «Количество» - это пьеса 2002 г. английского драматурга Кэрил Черчилль, в которой рассматривается вопрос о клонировании человека и личности, особенно природы и воспитания. История разворачивается в недалеком будущем и строится вокруг конфликта между отцом (Сэлтер) и его сыновьями (Бернар 1, Бернар 2 и Майкл Блэк), двое из которых являются клонами первого. Пьеса «Количество» была адаптирована Кэрил Черчилль для телевидения, в ко-продукции компаний BBC и HBO Films. В ролях снялись Рис Айфэнс и Том Уилкинсон, фильм был показан на канале BBC Two 10 сентября 2008 г.
Повторяющаяся подтема фантастики о клонировании - это использование клонов в качестве способа обеспечения органов для трансплантации. Роман 2005 г. Кадзуо Исигуро «Не отпускай меня» и киноадаптация 2010 г. основаны на альтернативной истории, в которой клонированные люди создавались с единственной целью обеспечения донорских органов для людей, рожденных естественным образом, несмотря на то, что они полностью разумны и обладают самосознанием. Фильм 2005 г. «Остров» вращается вокруг подобного сюжета, за исключением того, что клоны не знали о причине их существования. В футуристическом романе «Дом Скорпиона» клоны использовались для выращивания органов для их богатых «хозяев», а главный герой был полным клоном.
Использование клонирования человека в военных целях также были исследовано в ряде работ. В фильме «Звездные войны» изображается клонирование человека в «Войнах клонов», «Звездные войны: Эпизод II: Атака клонов»» и «Звёздные войны: Эпизод III: Месть ситхов» в виде Великой Армии Республики, армии клонированных солдат. Расширенная Вселенная также имеет множество примеров клонирования, в том числе трилогию Трауна, руку дилогии Трауна и массовая информация эпохи Войн Клонов.
Эксплуатация человеческих клонов для опасной и нежелательной работы была рассмотрена в британском научно-фантастическом фильме 2009 г. «Луна». В футуристическом романе «Облачный атлас» и последующем фильме одна из сюжетных линий фокусируется на генной инженерии. Клон-фабрикатСонми-451, одна из миллионов, выращенных в искусственной маточной цистерне, призвана служить с самого рождения. Она является одной из тысяч клонов, созданных для ручного и эмоционального труда. Сонми работает официанткой в ресторане. Позже она узнает, что единственный источник пищи для клонов, так называемое «мыло», получен из самих клонов.
В комедии «Множественность» человек клонирует себя 3 раза с помощью генетика.
Клонирование было использовано в художественной литературе как способ воссоздания исторических деятелей. В романе 1976 г. «Мальчики из Бразилии» Айры Левина и его киноадаптации 1978 г., Йозеф Менгеле использует клонирование для создания копий Адольфа Гитлера. В романе Анатолия Кудрявицкого «Парад зеркал и отражений» главной темой является клонирование умершего советского премьера Юрия Андропова.
В аниме «Некий научный рейлган» Микото Мисака, эспер 5 уровня, был клонирован в коммерческом масштабе более 20000 раз для исследовательских целей в возможности эспера 6 уровня. В другом сериале аниме/манга «Евангелион» клон человека является темой, настойчиво окружающей происхождение персонажа Аянами Рей.
В 2012 гг. было снято японское телешоу «Двойник». Главная героиня истории, Марико, является женщиной, изучающей охрану младенчества в Хоккайдо. Она всегда сомневалась в любви своей матери, которая совсем не была похожа на нее и умерла девять лет назад. Однажды она находит некоторые вещи своей матери в доме родственника и направляется в Токио, чтобы искать правду о своем рождении. Позже она узнала, что она - клон.
Технология также фигурирует в серии игр Halo, в частности, технология, известная как «флэш-клонирование», в которой нестабильной клон человека создается в невероятно короткий промежуток времени. Флэш-клонирование используется UNSC, чтобы похитить маленьких детей для введения в военную программу SPARTAN-II, которые тайно заменялись флэш-клонами, умирающими в течение короткого промежутка времени, чтобы гарантировать, что никто не ищет детей. Действие онлайн-игр MMORPG EVE и FPS DUST 514 происходит в далеком будущем, где все персонажи являются клонами; в момент смерти, состояние мозга человека отображается, передается и применяется к «пустому» клону на станции или объекте на некотором расстоянии.
В телесериале 2013 г. «Темное дитя» клонирование используется в качестве научного исследования поведенческой адаптации клонов.
БЕСПОЛОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
В природе существует два основных типа размножения - бесполое и половое. Каждый из этих типов делится на несколько подтипов. В данном случае нас интересует бесполое размножение. Оно происходит без образования гамет при участии одного организма. "При бесполом размножении образуются идентичные потомки, а единственным источником генетической изменчивости служат случайные мутации"(1). Такое потомство, происходящее от одной родительской особи, называют клоном. Члены одного клона могут быть разными только вследствие случайной мутации. Существует подтипов бесполого размножения.
Деление
Таким способом размножаются простейшие одноклеточные организмы: каждая особь делится на несколько (две и более) дочерних клеток, которые идентичны материнской клетке. Перед делением происходит репликация ДНК, а у эукариотической клетки - также деление ядра. В основном происходит бинарное деление, при котором из одной материнской образуются две одинаковые дочерние клетки. Так делятся бактерии, простейшие и некоторые водоросли. Существует также множественное деление - процесс, при котором "вслед за рядом повторных делений клеточного ядра происходит деление самой клетки на множество дочерних клеток" (2). Наблюдается у таких простейших, как споровики. Эти дочерние клетки являются спорами. Спора - одноклеточная единица, состоящая из небольшого количества цитоплазмы и ядра и имеющая микроскопические размеры.
Почкование
Почкование - форма бесполого размножения, когда дочерняя клетка образуется в виде выроста, очень напоминающего почку растения. Этот вырост появляется на родительской особи, а затем, отрываясь от него, ведёт самостоятельный образ жизни. При этом отпочковавшаяся особь идентична родительскому организму. Размножение почкованием встречается у разных групп организмов: у кишечнополостных (гидра) и у одноклеточных грибов (дрожжи).
Размножение фрагментами (фрагментация)
"Фрагментацией называют разделение особи на две или несколько частей, каждая из которых растёт и образует новую особь".(3) Фрагментацию можно наблюдать у некоторых низших животных, которые в силу своих слабо дифференцированных клеток сохраняют значительную способность к регенерации. Таких животных используют для экспериментального изучения процесса фрагментации. Часто при этом используют свободноживущую планарию. Эти эксперименты помогают понять процесс дифференцировки. В результате этого процесса каждая клетка приобретает определённую структуру, которая позволяет ей выполнять ряд специфических функций более эффективно. Это является одним из важнейших событий, которые происходят в процессе развития.
Клонирование
Итак, клонирование - "получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения"(4). По-другому определение клонирования звучит так "Клонирование - это процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки или организма" (5). То есть эти организмы похожи не только внешне, но и генетический код, заложенный в них, одинаков.
Возможности клонирования открывают новые перспективы для садоводов-огородников, фермеров-животноводов, а также для его медицинского применения. "Одной из главных задач в данной области является создание коров, в молоке которых будет содержаться сыворотка человеческого алгаомина. Эта сыворотка используется для лечения ожогов и иных травм, и мировая потребность в ней составляет от 500 до 600 тон в год" (6)(рисунок). Это одно направление. Второе - создание органов животных, которые можно будет использовать для трансплантации человеку. "Во всех странах существует серьезный недостаток донорских органов - почек, сердец, поджелудочных желез, печени. Поэтому идея, что можно создать практически конвейерное производство трансгенетических свиней, по графику поставляющих такие органы для пациентов, специально подготовленных для приема этих органов, вместо того, чтобы отчаянно пытаться найти подходящую ткань у донора-человека - такая идея является волнующей перспективой" (7). Путём клонирования можно получать животных с высокой продуктивностью яиц, молока, шерсти или таких животных, которые выделяют нужные человеку ферменты (инсулин, интерферон, химозин). "Человеческие ферменты можно получать и более простым способом: взяв нужную клетку крови человека, клонировать её и вырастить клеточную культуру, которая в лабораторных условиях будет производить нужный фермент. Комбинируя методы генной инженерии с клонированием, можно вывести трансгенные сельскохозяйственные растения, которые смогут сами себя защищать от вредителей или будут устойчивы к определённым болезням."(8).
Структурно-функциональная организация генетического материала
Наследственность и изменчивость - фундаментальные свойства живого.
Жизнь как особое явление характеризуется продолжительностью существования во времени. Это обеспечивается преемственностью живых систем. В основе такого непрерывного существования во времени лежит способность биологических систем к самовоспроизведению. "Сохранение жизни в меняющихся условиях оказывается возможным благодаря эволюции живых форм, в процессе которой у них появляются изменения, обеспечивающие приспособление к новой среде обитания. Непрерывность существования и историческое развитие живой природы обусловлены двумя фундаментальными свойствами жизни: наследственностью и изменчивостью." (9) Рассмотрим эти свойства более подробно. Наследственность. Что под этим подразумевается? На клеточном и организменном уровнях под наследственностью понимают способность биологических систем сохранять и передавать в процессе самовоспроизведения строение, особые функции, развитие. На популяционно-видовом уровне организации жизни наследственность проявляется в поддержании постоянного соотношения генетических форм в ряду поколений данного вида. На биоценотическом уровне- в обеспечении сохранения определённого соотношения видов организмов, которые образуют биоценоз. В ходе возникновения и развития жизни на земле наследственность играла огромную, решающую роль, так как закрепляла полезные изменения, происходящие в организме, таким образом, обеспечивая как бы консерватизм организации живых систем. Поэтому можно сделать вывод, что наследственность является одним из главных факторов эволюции. "Изменчивостью называется вся совокупность различий по тому или иному признаку между организмами, принадлежащими к одной и той же природной популяции или виду."(10) На уровне отдельных клеток и организмов изменчивость проявляется в возникновении отличий между ними, так как затрагивается их индивидуальное развитие (онтогенез). На популяционно-видовом уровне организации жизни это свойство проявляется в наличии генетических различий между отдельными представителями популяции вида. Благодаря этому появляются новые виды организмов, что вносит разнообразие, а так же изменения в межвидовые взаимоотношения в биоценозах. Изменчивость в определённом смысле отражает динамичность организации живых систем и тоже является решающим фактором эволюции.
"Несмотря на то что по своим результатам наследственность и изменчивость разнонаправлены, в живой природе эти два фундаментальных свойства образуют неразрывное единство, чем достигается одновременно сохранение в процессе эволюции имеющихся биологически целесообразных качеств и возникновение новых, делающих возможным существование жизни в разнообразных условиях."(11)
Цитоплазматическое наследование
В начале XX в. было обнаружено, что в клетках имеется внехромосомный наследственный материал. Он располагается в различных цитоплазматических структурах и определяет собой особую цитоплазматическую наследственность. Наличие некоторого количества наследственного материала в цитоплазме в виде кольцевых молекул ДНК митохондрий и пластид, а также других внеядерных генетических элементов даёт основание для специального рассмотрения их участия в формировании фенотипа в процессе индивидуального развития. Цитоплазматические гены не подчиняются законам Менделя о наследовании, которые определяются поведением хромосом при процессах: митозе, мейозе и оплодотворении. Так как образующийся вследствие оплодотворения организм получает цитоплазматические структуры вместе с яйцеклеткой, то цитоплазматическое наследование идёт по материнской линии. Этот тип наследования был впервые описан К. Корренсом в 1908 г. в отношении признака пёстрых листьев у некоторых растений (рисунок). Позднее было установлено, что развитие этого признака обуславливается мутацией, которая возникает в ДНК хлоропластов и нарушает в них синтез хлорофилла. Размножение в клетках нормальных (зелёных) и мутантных (бесцветных) пластид, их последующее затем случайное распределение между дочерними клетками приводят к появлению отдельных клеток, совершенно лишённых нормальных пластид. Потомство таких клеток и образует обесцвеченные участки на листьях. Таким образом, фенотип потомства зависит от фенотипа материнской особи, то есть у растения с зелёными листьями потомство будет абсолютно нормальным, потомство растения с бесцветными листьями будет такой же фенотип. Для клонирования это важно, так как при этом процессе ядро яйцеклетки заменяется ядром соматической клетки из ткани животного, и цитоплазматические гены должны запустить программу роста и развития этой клетки. Здесь решаются проблемы связанные с хромосомами.
Положения хромосомной теории
Термин хромосома был предложен в 1888г. немецким морфологом В. Вальдейером. Он применил этот термин для обозначения внутриядерных структур эукариотической клетки, которые хорошо окрашиваются основными красителями (от греческого хрома - цвет и сома - тело).
Представление о хромосомах как носителях комплексов генов было составлено наблюдения сцеплённого наследования родительских признаков друг с другом при передаче их из поколение в поколение. Такое сцепление признаков объяснили размещением соответствующих генов в хромосоме, которая является достаточно устойчивой структурой, сохраняющей состав генов в ряду поколений клеток и организмов.
Согласно хромосомной теории наследственности, совокупность генов, входящих в состав одной хромосомы, образует группу сцепления. Каждая хромосома уникальна по набору заключённых в ней генов. Поэтому число групп сцепления в наследственном материале организмов, принадлежащих к одному виду, определяется количеством хромосом в гаплоидном наборе их половых клеток. При оплодотворении образуется диплоидный набор, каждая группа сцепления которого представлена двумя видами - отцовской и материнской хромосомами, несущими разные наборы соответствующего комплекса генов.
Представление о линейном расположении генов в хромосомах возникло на основе нередко наблюдаемого процесса рекомбинации (взаимообмена) между материнским и отцовским комплексами генов, заключённых в гомологичных хромосомах. Установили, что частота рекомбинации характеризуется определённым постоянством для каждой пары генов и различна для разных пар. Это наблюдение дало возможность предположить связь частоты рекомбинации с последовательностью расположения генов в хромосоме.
Таким образом, была доказана роль хромосом как основных носителей наследственного материала в эукариотической клетке.
Роль ДНК в наследственности
В начале ХХ века Саттон и Бовери высказали верную мысль о том, что именно хромосомы передают генетическую одного поколения другому и сформулировали так называемую хромосомную теорию наследственности. "Согласно этой теории, каждая пара факторов локализована в паре гомологичных хромосом, причём каждая хромосома несёт по одному фактору. А так как число признаков у любого организма во много раз больше числа его хромосом, видимых в микроскоп, каждая хромосома должна содержать множество факторов. ."(12) В ряде экспериментов Альфред Мирский показал, что у особей одного вида все соматические клетки содержат
равное количество ДНК, которое вдвое больше количества ДНК в гаметах. То же самое относится и к содержанию в хромосомах белка, так что эти данные мало способствовали выяснению природы генетического материала.
В 1928 г. английский микробиолог Фредерик Гриффит поставил опыт. Во времена, когда антибиотики ещё не были известны, он пытался приготовить вакцину против пневмококка - возбудителя одной из форм пневмонии. Были известны две формы этой бактерии, одна из них обладает студенистой капсулой и вирулентна (вызывает заболевание), а другая не имеет этой капсулы и не вирулентна. Способность вызывать пневмонию и была, видимо, связана с наличием этой капсулы. Опыты по введению разных форм этих бактерий дали результаты, представленные в таблице 1.
Таблица 1
Результаты эксперимента Гриффита
"При вскрытии погибших мышей в них были обнаружены живые инкапсулированные формы. На основании этих результатов Гриффит сделал вывод, что от убитых нагреванием инкапсулированных форм к живым бескапсульным формам передаётся какой-то фактор, заставляющий их вырабатывать капсулы и становиться вирулентными."(13) Но природа этого трансформирующего фактора оставалась неизвестной до 1944 г., когда удалось выделить и идентифицировать его. Эвери, Мак-Карти и Мак-Лео установили, что удаление полисахаридной капсулы и белковой фракции из клеточных экстрактов не влило на способность трансформировать бескапсульные формы, но добавление фермента дезоксирибонуклеазы (ДНКазы), гидролизирующей ДНК, препятствовало трансформации. Способность высокоочищенных экстрактов ДНК из инкапсулированных клеток вызывать трансформацию показала, что фактором Гриффта была ДНК.
Химический состав хромосом
Изучение химической организации хромосом эукариотических клеток показало, что они состоят в основном из ДНК и белков, которые образуют нуклеопротеиновый комплекс.
Как было доказано исследованиями, ДНК является носителем свойств наследственности и изменчивости и заключает в себе биологическую информацию - своеобразную программу развития клетки и организма, записанную с помощью особого кода. Количество ДДНК в ядрах клеток организма данного постоянно и пропорционально их плоидности. В диплоидных соматических клетках организма её в два раза больше, чем в гаметах. Увеличение числа хромосомных наборов в полиплоидных клетках сопровождается пропорциональным увеличением количества ДНК в них.
Белки составляют значительную часть вещества хромосом. На них приходится около 65% массы этих структур. Белки в хромосомах делятся на две группы: гистоны и негистоновые белки.
Помимо ДНК и белков в составе хромосом обнаружены РНК, липиды, полисахариды, ионы металлов.
РНК содержится во всех живых клетках в виде одноцепочечных молекул. Она отличается от ДНК тем, что содержит рибозу (вместо дезоксирибозы ДНК), а в качестве одного из пиримидиновых оснований - урацил (вместо тимина). Анализ РНК, содержащихся в клетке, показал, что существует три типа РНК, которые участвуют в синтезе белковых молекул. Во-первых, это матричная, или информационная, РНК (иРНК или иРНК), которая выполняет роль посредника при синтезе белков. Во-вторых, транспортная РНК (тРНК), которая является связующим звеном между триплетным кодом, содержащимся в мРНК, и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи. И, в-третьих, рибосомная РНК (рРНК), которая находится в цитоплазме, где связана с белковыми молекулами, образуя вместе с ними клеточные органеллы - рибосомы. Все три типа РНК синтезируются непосредственно на ДНК, которая служит основой для этого процесса. Количество РНК в каждой клетке находится в прямой зависимости от количества вырабатываемого этой клеткой белка.
Данные, полученные экспериментами на самых разных организмах, показали, что процесс синтеза белка состоит из двух процессов, представленных на рисунке.
Природа генов
В 1866 г. Мендель высказал предположение, что признаки организмов определяются наследуемыми единицами, которые он назвал "элементами". Позже их называли "факторами" и, наконец, генами. Было выяснено, что гены находятся в хромосомах, с которыми они и передаются из поколения в поколение. Если рассматривать ген как единицу мутации, то ему можно дать такое определение: "Ген - это наименьший участок хромосомы, который может быть отделён от примыкающих к нему участков в результате кроссинговера" (14). "Кроссинговер - обмен генетическим материалом между гомологичными хромосомами" (15). Если же рассматривать процесс мутирования, то геном можно назвать "наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию"(16).
Способы клонирования
Как уже говорилось выше, получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения называется клонированием. Этот метод возник в результате попыток доказать, что ядра зрелых клеток, которые закончили своё развитие, содержат всю информацию, необходимую для кодирования всех признаков организма, специализация каждой клетки обусловлена включением определённых генов или их выключением, а не утратой некоторых из них. Первый успех был достигнут профессором Корнельского университета Стюардом. Он доказал, что, выращивая отдельные клетки съедобной части моркови в среде, содержащей нужные питательные вещества и гормоны, можно индуцировать процессы клеточного деления, приводящие к образованию новых клеток моркови.
"Первым, кто доказал возможность искусственного получения близнецов, был немецкий эмбриолог Дриш. Разделив клетки двуклеточного зародыша морского ежа, он получил два генетически идентичных организма.
Первые успешные опыты по трансплантации ядер клеток тела в яйцеклетку осуществили в 1952 году Бриге и Кинг, проводившие опыты с амебами. А в 1979 году англичанин Виладсен разработал метод получения однояйцевых близнецов из эмбрионов овцы и коровы. Однако развития эмбрионов добиться не удалось" (17). А в 1976 году Дж. Гердон доказал возможность клонирования на лягушках. Однако лишь в 1983 году учёным удалось получить серийные клоны взрослых амфибий (рисунок).
Как же, вопреки строгой закономерности, можно заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически решение этой проблемы возможно двумя способами: хирургическим и "терапевтическим".
Хронологически второй метод изобретён намного раньше. Сто лет назад зоолог Московского университета А. А. Тихомиров открыл, что яйца тутового шелкопряда под воздействием различных химических и физических реакций могут развиваться без оплодотворения. Такое развитие было названо партеногенезом. Но оно рано останавливалось: партеногенетические эмбрионы погибали ещё до вылупления личинок из яиц.
Б. Л. Астауров в 30-е годы в результате длительных исследований подобрал термическое воздействие, которое одновременно блокировало стадию мейоза, то есть превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидный, и активировало неоплодотворённое яйцо к развитию. С ядром, оставшимся диплоидным, развитие заканчивалось вылуплением личинок, повторяющих генотип матери, включая пол.
Клонировать млекопитающих можно, как упоминалось, и другим способом - хирургическим. Он основан на замене гаплоидного ядра яйцеклетки на диплоидное ядро, взятое из клеток эмбрионов. Эти клетки ещё не дифференцированы, то есть не началась закладка органов, поэтому их ядра легко заменяют функцию диплоидного ядра только что оплодотворённой клети. Таким методом в США (1952) У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг, в Англии Д. Б. Гордон (1960) получили генетические копии лягушки, а в 1997 году шотландец И. Уилмут получает хирургическим путём знаменитую овцу Долли (рисунок) - генетическую копию матери. Для этого из клеток её вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишённой ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с заменённым ядром развивалась как оплодотворённая. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны её важные для человека хозяйственные признаки. Но у Долли были не слишком удачные предшественники. Её создатель, Ян Уилмут, произвёл 277 ядерных трансплантаций: получил 277 эмбрионов, из которых только 29 прожили дольше шести дней, и один из которых развился в полноценного ягнёнка, названного Долли.
"Профессор Нейфах и его коллеги из Института биологии развития Российской недавно скопировали каспийского осетра. Технология тут примерно такова. В клетке осетра убивают ядро, на его место вводят два сперматозоида и тепловым ударом заставляют их слиться воедино. Процесс слияния был необходим затем, чтобы удвоить набор хромосом в спермии. Далее уже все определяется умением задействовать сложные внутренние связи и, в конце концов, "выходить" зародыш, создав ему благоприятные условия. Основной аргумент российских биологов - они пытаются спасти каспийского осетра как вид. По размерам искусственные осетры, правда, пока не дотягивают до нормы, но, как утверждают исследователи, это уже технические трудности" (18).
"А ученые из университета штата Висконсин опробовали новую методику клонирования млекопитающих, отличную от той, что применялась учеными из Рослингского института, вырастившими Долли. В качестве основного исходного материала новаторы использовали яйцеклетку коровы. Ее лишали так называемого генетического кода и имплантировали молекулы ДНК других клонируемых животных - свиньи, крысы, овцы или обезьяны. При этом источником наследственного материала служили клетки тканей взрослых особей, взятые, например, из свиного или крысиного уха. После искусственного оплодотворения из коровьей яйцеклетки, получившей новую генетическую информацию, развивался зародыш другого млекопитающего - копия генетического донора. Таким образом, ученым удалось благополучно вырастить в лабораторных условиях эмбрионы свиньи, крысы, овцы, обезьяны да и самой коровы.
Специалисты из Висконсинского университета уверены, что их исследования имеют важное значение для развития генной инженерии и изучения возможностей генетического донорства. Руководители этих работ Нил Ферст, одним из первых в США приступивший к опытам по клонированию коров, и Таня Доминко полагают, что использованная ими методика в будущем сможет помочь сохранению исчезающих и редких видов животных." (19).
Учтя опыт шотландцев, американцы несколько изменили метод клонирования, использовав ядра эмбриональных (зародышевых) фибробластов - клеток, дающих соединительную ткань, взятых из взрослого организма. Таким образом, они резко увеличили эффективность метода, а также облегчили задачу введения "чужого" гена, так как в культуре фибробластов это сделать значительно легче.
Сейчас перед людьми не стоит вопроса: "Клонировать или нет?" Конечно клонировать. Благодаря этому открываются новые возможности. Например, в сельском хозяйстве можно получить высоко продуктивных животных или животных с человеческими генами. А также клонирование органов и тканей - задача номер один в траспланталогии. Стоит другой вопрос: "Разрешить ли клонирование человека?" С одной стороны это возможность бездетных людей иметь своих собственных детей, а с другой - возможность получения новых Наполеонов и Гитлеров, а также получение клонов для последующего использования их в качестве доноров необходимых органов.
Вопрос клонирования человека остаётся открытым!!
1. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.108
2. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.108
3. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.109
4. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.113
5. интернет www. intellectualcapital.ru/iss2-6/icissue6.htm
6. интернет www.intellectualcapital.ru/iss2-6/icinterv6.htm
7. интернет www.intellectualcapital.ru/iss2-6/icinterv6.htm
8. журнал "Весь мир" №12 (02.1998), стр71
9. "Биология 1", стр.60
10. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.245
11. "Биология 1", стр.61
12. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.231
13. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.205
14. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.208
15. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.114
16. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.208
17. интернет www.gssmp.sci-nnov.ru/medfarm/fom/150/klon/html
18. интернет www.adventure.df.ru/project/klon/klon_3.htm
19. интернет www.gssmp.sci-nnov.ru/medfarm/fom/150/klon/html
20. таблица 1 - Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.205
21. рисунок 5 - Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.215
22. рисунок 1 - журнал "Весь мир" №12 (02.1998), стр71
23. рисунок 2 - "Биология 1", стр.253
24. рисунок 3 - Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", стр.115
25. рисунок 4 - журнал "Весь мир" №12 (02.1998), стр70
Список используемой литературы:
1. Н. Грин, У Стаут, Д. Тейлор "Биология 3", Москва "Мир" 1993
2. "Биология 1", Москва "Высшая школа" 1999
3. журнал "Весь мир" №12 (02.1998)
4. интернет www. intellectualcapital.ru/iss2-6/icissue6.htm
5. интернет www.intellectualcapital.ru/iss2-6/icinterv6.htm
6. интернет www.gssmp.sci-nnov.ru/medfarm/fom/150/klon/html
7. интернет www.adventure.df.ru/project/klon/klon_3.htm
8. журнал "Природа", 07.1998
Рисунки
: Момент микроинъекции гена в эмбрион экспериментального животного.
: Наследование пестролистости у ночной красавицы.
а) зелёные листья; б) пёстрые листья; в)белые листья; I,II,III - результат скрещивания различных материнских растений(а,б,в,) с разными отцовскими
Рисунок 3: Клон шпорцевых лягушек (Xenopus laevis), полученный путём трансплатации ядер.
От скрещивания между двумя мутантными лягушками-альбиносами был получен зародыш (донор); на стадии хвостовой почки его клетки были диссоциированы и выделенные ядра пересажены в неоплодотворённые яйца самки дикого типа (рецепиента), ядра которых были разрушены УФ-облучением.
Группа из 30 лягушек, полученных в результате 54 таких пересадок; все они - самки-альбиносы.
: Овца "Долли"
: Схема главных этапов в процессе белкового синтеза.
Можно получить потомство млекопитающих, генетически идентичное живым взрослым особям.
В 1996 году весь мир был взбудоражен новостью об овечке Долли. В результате экспериментов, выполненных под руководством Яна Уилмута, родилась овца, генетически идентичная взрослой овце. В норме (см. Законы Менделя) особь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив половину генетического материала от одного родителя и вторую половину — от второго. При клонировании же генетический материал берут из клетки одной живущей особи. Делается это так: из одной оплодотворенной клетки (зиготы ) удаляют ядро (в котором находится ДНК). Затем извлекают ядро из клетки взрослой особи этого же вида и имплантируют его в лишенную ядра зиготу. Это яйцо имплантируют в матку самки данного вида и дают ему возможность расти, пока не придет время родов.
Сенсационность клонирования, принесшая Яну Уилмуту и Долли мировую известность, заключается в характере изменений клеточной ДНК по мере развития эмбриона. В начале в зиготе «включены» все гены, другими словами, все они могут работать. Однако в определенные сроки клетки становятся специализированными — в них отключаются разные гены, и их эффект больше не проявляется (на языке генетиков это называется «они не могут экспрессироваться »). Например, в каждой клетке вашего организма есть гены, отвечающие за синтез инсулина, но при этом инсулин вырабатывается только определенными участками поджелудочной железы. Во всех остальных клетках вашего тела (например, в клетках кожи, нервных клетках головного мозга) ген инсулина отключен.
Очевидно, что в ДНК, имплантированной в оплодотворенную яйцеклетку, какие-то гены уже отключены; какие именно и в какой последовательности — определяется тем, из какого органа взрослой особи была получена клетка. Оказывается, оплодотворенное яйцо — мы до конца не понимаем, как это происходит — способно вновь установить часы клетки на «0», т. е. вновь включить все гены, благодаря чему становится возможным нормальное развитие эмбриона. В этом суть великого открытия Уилмута.
Не все попытки клонирования оказываются успешными. Одновременно с Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках, и лишь в одном случае выросло живое взрослое животное. После Долли были клонированы многие виды млекопитающих, назовем лишь некоторых — корова, мышь и свинья. Из яйцеклетки мыши получено несколько поколений клонированных животных — клоны, клоны из клонов, клоны из клонов и т. д.
Серьезнейшие разногласия вызвала возможность применения данной технологии к человеку. С одной стороны, новая технология несет ужасающую угрозу нравственности, поэтому клонирование человека надо запретить. С другой стороны, благодаря этой технологии много бесплодных супружеских пар получают шанс иметь биологически родственных им детей, и значит, по мнению многих, это вполне этично.
Пока споры продолжаются, обратим внимание на один важный аспект. С технической точки зрения, клон, каким является Долли, всего лишь особь, ДНК которой идентична ДНК другой особи. Нам нередко приходится сталкиваться с особями, имеющими идентичную ДНК — мы называем их близнецами. Клон — это просто-напросто близнец, родившийся на несколько лет или десятилетий позже — «асинхронный близнец». Так же как нам никогда не пришло бы в голову ожидать, что один близнец может отдать другому свое сердце для пересадки, перспектива выращивания клонов для заготовки пересаживаемых органов — лишь страшный сон, который никогда не станет явью. Я на собственном опыте убедился, что стоит заменить слово «клон» на «близнец», как дебаты по клонированию человека утрачивают пафос.
Не могу поручиться, но думаю, что ближе к 2010 году клонирование будет считаться не более предосудительным, чем оплодотворение в пробирке или другие современные методы лечения бесплодия. Поскольку клонирование — довольно простая процедура, предусматривающая использование стандартных приемов, я ожидаю в скором времени появления клонированных людей (если только это уже не произошло к тому моменту, когда вы читаете эти строки).
Ян УИЛМУТ
Ian Wilmut, р. 1944
Шотландский эмбриолог, родился в английском городке Хэмптон-Люси. В 1971 году окончил Ноттингемский университет, а в 1974 году получил докторскую степень за разработку методов замораживания свиной спермы. В том же году перешел в Институт Рослина рядом с Эдинбургом, где продолжает заниматься генетической инженерией домашнего скота. Уилмут установил причины внутриутробной смерти овец и свиней, связанные с нарушением развития и физиологией, затем начал исследовать методы улучшения поголовья домашнего скота. В связи с полемикой по поводу клонированных животных Уилмут заметил: «Я не провожу бессонных ночей. Я верю в высокую нравственность нашего вида».
