Реферат : Клонирование
Клонирование
Проблема клонирования животных приобрела в последнее время не только научное, но и социальное звучание, поэтому оно широко освещается в СМИ, зачастую некомпетентными людьми и с непониманием сути проблемы. В связи с этим возникает необходимость осветить положение дела.
Термин "клон" происходит от греческого слова “klon”, что означает веточка, побег, отпрыск. Клонированию можно давать много определений, вот некоторые самые распространенные из них, клонирование – популяция клеток или организмов произошедших от общего предка путём бесполого размножения, причём потомок при этом генетически идентичен своему предку.
Воспроизводство организмов полностью повторяющих особь, возможно только в том случае, если генетическая информация матери будет без каких-либо изменений передана дочерям. Но при естественном половом размножении этому препятствует мейоз. В ходе этого незрелая яйцеклетка, имеющая двойной, или диплоидный набор хромосом – носителей наследственной информации – делиться дважды и в результате образуются четыре гаплоидных, с одинарным набором хромосом, клетки. Три из них дегенерируют, а четвёртая с большим запасом питательных веществ, становится яйцеклеткой. У многих животных она в силу гаплоидности не может развиваться в новый организм. Для этого необходимо оплодотворение. Организм, развившийся из оплодотворенной яйцеклетки, приобретает признаки, которые определяются взаимодействием материнской и отцовской наследственности. Следовательно, при половом размножении мать не может быть повторена в потомстве.
[sms]
Как же вопреки этой строгой закономерности заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически решение этой трудной биологической проблемы найдено.
Растения.
Клонирование, прежде всего, изначально относится к вегетативному размножению. Клонирование растений черенками, почками или клубнями известно уже более 4 тысяч лет. Начиная с 70-х гг. нашего столетия для клонирования растений стали широко использовать небольшие группы и даже соматические (неполовые) клетки.
Дело в том, что у растений в отличие от животных по мере их роста, в ходе клеточной специализации – дифференцировки – клетки не теряют так называемые тотипотентные свойства, то есть, не теряют своей способности реализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре. Поэтому практически любая растительная клетка, сохранившее в процессе дифференцировки своё ядро, может дать начало новому оргазму. Эта особенность растительных клеток лежит в основе многих методов генетики и селекции.
При вегетативном размножении и при клонировании гены не распределяются по потокам, как в случае полового размножения, а сохраняются в полном составе в течение многих поколений.. Всё организмы, входящие в состав определённого клона имеют одинаковый набор генов и фенотипически не различаются между собой.
Клетки животных, дифференцируясь, лишаются тотипотенстности, и в этом, одно из существенных отличий от клеток растений. Как будет показано ниже именно здесь главное препятствие для клонирования взрослых позвоночных животных.
Клонирование шелкопряда.
В изобретение клонирования животных, несомненно, надо отдать должное русским учёным. Сто лет тому назад русский зоолог московского университета А.А. Тихомиров впервые открыл, что яички тутового шелкопряда в результате различных химических и физических воздействий начинают развиваться без оплодотворения.
Однако это развитие, названное партеногенезом, рано останавливалось: партеногенетические эмбрионы погибли ещё до вылупления личинок из яиц. Но это уже была прелюдия к клонированию животных.
Б.Л. Астауров в 30-е гг. в результате длительных исследований, получивших мировую известность, подобрал термическое воздействие, которое одновременно активизировало неоплодотворённое яйцо к развитию и блокировало стадию мейоза, то есть превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидное. Развитие с ядром, оставшимся диплоидным, заканчивалось вылуплением личинок, точно повторяющих генотип матери, включая и пол. Так, в результате амейотического партеногенеза были получены первые генетические копии, идентичные матери.
Количество вылупившихся партеногенетических гусениц находилось в зависимости от жизнеспособности матери.
Поэтому у “чистых” пород вылупление гусениц не превышало 1%, в то время как у значительно более жизнеспособных межрасовых гибридов оно достигло 40-50%. Несмотря на огромный успех, автор этого метода пережил горькое разочарование: партеногенетическое потомство характеризовалось пониженной жизнеспособностью на эмбриональных и постэмбриональных стадиях развития (гусеницы, куколки, бабочки). Гусеницы развивались неравномерно, среди них было много уродливых, а завитые ими коконы различались по массе. Позже Астауров улучшил метод, применив гибридизацию между селекционными линиями. Так он смог повысить жизнеспособность у новых клонов до нормы, но довести до этого уровня другие количественные признаки ему не удалось: например масса партеногенетических коконов не превышала 82% от массы нормальных коконов такого же генотипа.
Позднее установили причины партеногенетической депрессии и сложными методами, которые позволили накапливать “гены партеногенеза”, вывели новые высоко жизнестойкие клоны самок, а позднее и партеногенетических самцов. Скрещивая таких самцов со своими “матерями” или склонными к партеногенезу самками других клонов, получили потомство с ещё большей склонностью к партеногенезу. От лучших в этом отношении самок закладывали новые клоны.
В результате многолетнего отбора удалось накопить в генотипе селекционируемых клонов невиданно большое число генов, обуславливающих высокую склонность к партеногенезу. Вылупление гусениц достигло 90%, а их жизнеспособность повысилась до 95-100%, опередив в этом отношении обычные породы и гибриды. В дальнейшем “скрестили” с помощью партеногенетических самцов два генетически резко отличающихся клона разных рас и от лучших гибридных самок вывели сверхжизнеспособные клоны.
Наконец, научились клонировать самцов тутового шелкопряда. Это стало возможным после того, как удалось получить самцов, у которых все парные гены были идентичными, или гомозиготными. Вначале таких самцов клонировали особым мужским партеногенезом (андрогенезом). Для этого воздействием гамма-лучей и высокой температуры лишали ядро яйца способности к оплодотворению. Ядро проникшего в такое яйцо сперматозоида, не встретив дееспособного женского ядра, само, удваиваясь, приступало к развитию мужского зародыша, который естественно повторял генотип отца. Таким способом ведутся мужские клоны в десятках поколениях. Позже один из таких клонов был преобразован в обоеполовую линию, также состоящих из генетически идентичных (за исключением половых хромосом) теперь уже самок и самцов. Поскольку положивший начало этой линии полностью гомозиготный отец возник в результате размножения, приравненного к самооплодотворению, то сам он и линия двойников обоего пола имеют пониженную жизнеспособность. Скрещивая между собой две такие линии, стали без труда получать гибридных и высоко жизнеспособных двойников в неограниченном количестве.
Итоги клонирования шелкопряда: полученные клоны самок и самцов тутового шелкопряда для практического шелководства непригодны, но это не крах всех надежд. Целесообразно использовать клоны не для непосредственного применения в шелководческой практике, а на племя для выдающегося по продуктивности потомства. Примерная схема использования клонов в промышленном производстве выглядит следующим образом. Из большого количества коконов выбирают те, из которых развиваются выдающиеся по продуктивности самки, и от каждой получают партеногенетическое потомство, для дальнейшей работы используют партеногенетических клоны, которые повторяют высокую продуктивность матери и проявляют высокую склонность к партеногенезу. За этим следует скрещивание с определёнными клонированными самцами и из полученного гибридного поколения выбирают два производства, только те клоны, которые дали прекрасное во всех отношениях потомство. Его высокие качества обусловлены не только предшествующей селекцией, а ещё и тем, что в процессе отбора особей на высокую склонность к партеногенезу в их генотипе образуется комплекс генов жизнеспособности, компенсирующей вредное влияние искусственного размножения. При переводе клонов на половое размножение этот комплекс, оказавшись несбалансированным, сильно повышает гетерозис.
Первые опыты на амфибиях
Возможность клонирования эмбрионов позвоночных впервые была показана в конце 40-х начале 50-х гг. в опытах на амфибиях, когда российский эмбриолог Георгий Викторович Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 года он отправил в “Журнал общей биологии” статью, написанную по материалам собственных экспериментов. Однако на беду Лопашова в августе 1948 года состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, утвердившая по воле коммунистических вождей беспредельное господство в биологии малограмотного агронома Т.Д. Лысенко, и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, потому что она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нём хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-х гг. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как это часто случалось в истории российской науки.
Бриггс и Кинг разработали микрохирургический метод пересадки ядер эмбриональных клеток с помощью тонкой стеклянной пипетки в лишённые ядра клетки (энуклеированные клетки).
Они установили, что если брать ядра из клеток зародыша на ранней стадии его развития – бластуле (бластула – стадия в развитии зародыша, представляющая собой полный шар из одного слоя клеток), то примерно в 80% случаях зародыши благополучно развиваются дальше и превращаются в нормального головастика. Если же развитие зародышей продвинулось на следующую стадию – гастулу, то лишь менее чем в 20% случаев оперированные клетки развивались нормально. Эти результаты позже были подтверждены в других работах.
Большой вклад в эту область внёс английский биолог Гёрдон. Он первый в опытах с южноафриканской жабой Xenopus laevis в качестве донора ядер использовал не зародышевые клетки, а уже вполне специализировавшиеся клетки эпителия кишечника плавающего головастика. Ядра яйцеклеток-реципиентов он не удалял хирургическим путём, а разрушал ультрафиолетовыми лучами. В большинстве случаев реконструированные яйцеклетки не развивались, но примерно десятая часть из них образовывала эмбрионы, 5% из этих эмбрионов достигали стадии бластулы, 2,5% стадии головастика и только 1% развивалось в половозрелые особи (схема) однако появление нескольких взрослых особей в таких условиях могло быть связано с тем, что среди клеток эпителия кишечника развивающегося головастика довольно длительно присутствуют первичные половые клетки, ядра, которых могли быть использованы для пересадки. В последующих работах, как самого автора, так и других исследователей не смогли подтвердить данные этих первых опытов.
Позже Гёрдон модифицировал эксперимент. Поскольку большинство реконструированных яйцеклеток с ядром клетки кишечного эпителия погибают до завершения стадии гастулы, он попробовал извлечь из них ядра на стадии бластулы и снова пересадить их в новые энуклеированные яйцеклетки, такая процедура называется “серийной пересадкой”. Число зародышей с нормальным развитием после этого увеличилось, и они развивались до более поздних стадий по сравнению с зародышами, полученными в результате первичной пересадки ядер.
Затем Гёрдон вместе с Ласки (1970 г од) стали культивировать in vitro (вне организма в питательной среде) клетки почки, лёгкого и кожи взрослых животных и использовать уже эти клетки в качестве доноров ядер. Примерно 25% первично реконструированных яйцеклеток развивались до стадии бластулы. При серийных пересадках они развивались до стадии головастика. Таким образом, было показано, что клетки 3-х разных тканей взрослого позвоночного содержит ядра, которые могут обеспечить развитие по крайней может до стадии головастика.
В свою очередь Ди Берардино и Хофнер использовали для трансплантации ядра неделящихся и полностью дифференцированных клеток крови – эритроцитов лягушки Rana Pipiens. После серийной пересадки таких ядер 10% реконструированных яйцеклеток достигали стадии плавающего головастика. Однако даже с помощью многократных серийных пересадок (более 100 клеточных циклов) реконструированные яйцеклетки дальше стадии головастика не развивались.
Таким образом, во многих работах показано, что в случаи амфибий донорами ядер могут стать лишь зародыши на ранних стадиях развития.. Некоторые авторы называют подобные эксперименты клонированием амфибий, хотя правильнее их называть клонированием эмбрионов амфибий, так как в этом случае размножают бесполым путём не взрослых животных, а их зародышей.
Дифференцирование клеток в ходе развития позвоночных сопровождается инактиваций неработающих генов, поэтому клетки теряют тотипотентность, дифференцирование становится необратимым. В конце концов у одних клеток происходит репрессирование генома, у других в той или иной степени деградирует ДНК, а в некоторых случаях разрушается даже ядро. Однако на ряду с дифференцируемыми клетками, культивируемыми in vitro клеточные популяции содержат малодифференцируемые стволовые клетки, которые и могут быть использованы как доноры ядер для клонирования млекопитающих.
Опыты с амфибиями показали, что ядра различных клеток одного и того же организма генетически идентичны и в процессе дифференцирования постепенно теряют способность обеспечивать развитие реконструированных яйцеклеток, однако серийные пересадки ядер и культивирование клеток in vitro в какой-то степени увеличивают эту способность.
Неудачи экспериментов с мышами.
Успешные опыты с амфибиями заставили задуматься учёных о клонировании млекопитающих, в частности мышей.
Мак-Киннелл в одной из своих работах отмечал, что необходимые для этого методы уже существуют и непонятно почему мышь до сих пор не клонирована.
Однако предсказания Мак-Киннелла не сбылись, хотя в конце 70-х гг. опыты на мышах действительно начались и протекали весьма драматично. К тому времени весьма основательно были изучены биология и генетика ранних этапов развития млекопитающих и в частности мыши как модельного объекта.
Работа методически оказалась довольно трудной, прежде всего, потому что объём яйцеклетки у млекопитающих примерно в тысячу раз меньше, чем у амфибий. Однако эти трудности были успешно преодолены. Экспериментаторы научились успешно микрохирургическим путём удалять пронуклеусы (одно из двух гаплоидных ядер в яйце млекопитающих, в период после проникновения сперматозоида, но до слияния женского и мужского пронуклеусов в ядро зиготы в процессе оплодотворения. Мужское ядро формируется из ядерного материала сперматозоида, женское из хромосом яйцеклетки) из зигот мыши и пересаживать в них клеточные ядра ранних эмбрионов. Однако все полученные разным способом зародыши мышей развивались лишь до стадии бластулы.
В 1977 году появилось сенсационное сообщение Хоппе и Илменсе о том, что они получили 7 взрослых самок мышей, пять из которых имели только материнский, а две отцовский геном. Это, якобы, зависело от того, какой пронуклеус был оставлен в яйце – женский или мужской, он и определял особи по типу гиногенеза или андрогенеза (гиногенез – развитие яйца без участия сперматозоида, андрогенез – развитие яйца, имеющие только отцовские хромосомы – мужской партеногенез). Их успех был связан, по описанию авторов, с тем, что, удаляя один пронуклеус, они удваивали число хромосом другого, обрабатывая яйца специальным веществом, затем выращивали полученные диплоидные гомозиготные зародыши in vitro до стадии бластулы и пересаживали в матку самки-реципиента для дальнейшего развития.
Казалось, теперь можно будет быстро получить млекопитающих со 100% гомозиготностью по всем признакам. Это особенно важно для селекции, так как для получения сельскохозяйственных животных, в частности крупного рогатого скота с закреплёнными особо ценными качествами обычными приёмами требуются десятки лет работы.
Однако данные Хоппе и Илменси подтвердить не удалось, хотя многие пытались это сделать. Оказалось, что полученные любым способом диплоидные андрогенетические и гиногенетические зародыши мышей погибают, а тех же стадиях, что и диплоидные партеногенетические (развивающиеся из неоплодотворённой яйцеклетки) эмбрионы.
Значительно усовершенствовав методы извлечения ядер и введения их в клетку, Мак-Грат и Солтер провели свою серию экспериментов и сообщили, что высокий выход живых мышей они получили, когда в качестве доноров ядер они использовали зиготы, но если донорами были ранние эмбрионы, то реконструированные яйцеклетки, как и прежде, развивались только до стадии бластулы.
Метод Мак-Грата - Солтера стал широко использоваться разными экспериментаторами. Так Манн и Ловел-Банж выделяли пронуклеусы яиц, активированных к партеногенезу, и пересаживал их в энуклеированные зиготы мышей. В этих случаях эмбрионы погибали на ранних стадиях. Если же, наоборот, пронуклеусы получали из оплодотворённых яиц и пересаживали в партеногенетические и лишённые ядра яйца, то такие зародыши развивались нормально до рождения.
Сурани с соавторами установили, что если добавить женские пронуклеус из зиготы мыши к гаплоидному набору хромосом яйцеклетки, то нормального развития не происходит, добавление же мужского ядра приводит к нормальному развитию. С другой стороны, рекомбинация женского и мужского пронуклеусов из ранних оплодотворённых яйцеклеток мышей обеспечивает нормальное развитие, а комбинация 2-х мужских или 2-х женских пронуклеусов останавливает развитие эмбриона.
Эти опыты показали, что для нормального развития млекопитающих требуется два набора хромосом – отцовский и материнский. Поэтому ни у одного из известного вида млекопитающих не описан партеногенез. Поэтому же работы Хоппе и Илменсе не удалось повторить.
Однако такие исследование ещё дважды будоражили научное сообщество. В 1982 году пересадили ядра клеток партеногенетических бластул мышей в энуклеированные зиготы. Некоторые из этих реконструированных яйцеклеток нормально развивались, и якобы получены четыре взрослых самки, но в свете вышесказанного эти результаты маловероятны.
Гибель партеногенетических (гиногенетических и андрогенетических) зародышей у млекопитающих связана с различной активацией онтогенеза материнского и отцовских геномов. Механизм, регулирующий эти функциональные различия, был назван геномным импритингом и изучался в ряде работ, где было показано, что для нормального развития млекопитающих требуется наличие мужского генома.
Другая статья Илменсе и Хоппе имела ещё больший резонанс. Авторы сообщили о пересадки ядер внутренней клеточной массы бластулы в энуклеированные зиготы мышей и получения трёх взрослых особей (двух самок и одного самца), генетически идентичной донорской линии мышей. Введение ядер-доноров и удаление пронуклеусов из зиготы проводили за один приём, затем реконструированные яйцеклетки культивировали in vitro до стадии бластулы и пересаживали в матку самок. Из 16 пересаженных бластул три развились во взрослые особи. В следующей работе эти же авторы использовали в качестве доноров-ядер клетки эмбрионов ещё более поздней стадии (семь суток) и будто бы получили трёх половозрелых мышей. Однако никто из работающих в том же направлении не смог добиться подобных результатов, и достоверность результатов Илменсе и Хоппе вновь была поставлена под сомнение.
Мак-Грат и Солтер показали, что ядра 8-клеточных зародышей и клеток внутренней клеточной массы бластулы не обеспечивают развития in vitro реконструированных яйцеклеток даже до стадии морулы, которая предшествует стадии бластулы. Наибольшая часть (5%) 4-клеточных зародышей даёт возможность развиваться только до стадии морулы. В тоже время 19% реконструированных яйцеклеток 2-ядерных клеточных зародышей, смогли спокойно достичь стадии морулы или бластулы.
Эти и другие данные показывают, что в эмбриогенезе у мышей клеточное ядро рано теряет тотипотентность, что связано, очевидно, с очень ранней активизацией генома зародыша – уже на стадиях двух клеток. У других млекопитающих, в частности у кроликов, овец и крупного рогатого скота, активизация первой группы генов в эмбриогенезе происходит позднее, на 8-16 клеточной стадии. Возможно, поэтому первые значительные успехи в клонировании животных были достигнуты на других видах млекопитающих, а не на мышах.
Тем не менее, особый интерес вызывают опыты группы учёных из университета в Гонолулу во главе с Риузо Янагимачи. Авторам удалось усовершенствовать метод Уилмута, о котором речь пойдёт ниже, они отказались от электрической стимуляции слияния донорской соматической клетки с яйцеклеткой и изобрели такую микропипетку, с помощью которой можно было бы безболезненно извлекать ядро из соматической клетки и трансплантировать его в обезъядренную клетку. Кроме того, авторы использовали в качестве донорских относительно менее дифференцированные ядра клеток, окружающих ооцит. Наконец, удалось, как бы синхронизировать процессы, протекающие в яйцеклетке и трансплантируемом в нём ядре, что позволило обеспечить естественные ядерно-цитолазматические взаимоотношения между ядром и цитоплазмой, поскольку трансплантируемое дифференцированное в определённом направлении ядро и цитоплазма яйцеклетки до того работали как бы в разных режимах.
Авторы использовали для трансплантации ядра клеток, окружающих ооцит (клеток так называемого cumulus oophorus), клеток Сертоли из семенников и клеток, выделенных из мозга. Ядра, выделенные из соматических клеток, инъецировали в энуклеированное яйцо с помощью микропипетки. Яйцо активировали к развитию, поместив в специальный раствор (так называемый HEPES-CZB), свободный от кальция, и добавляя стронций и цитохалазин. Стронций активировал яйцо, а кальций подавлял образование полярных телец. Эмбрионов культивировали до стадии 2-8 клеток, морулы или бластулы, а затем трансплантировали в матку приёмной матери, где многие из них имплантировались и некоторые из них (15-16%) продолжали своё развитие. Процент выхода рождённых мышат (их извлекали с помощью кесарева сечения на 18, 5-19-й дни беременности) был, однако, низок – в разных сериях экспериментов от 2 до 2,8%. Молекулярные исследования доказали принадлежность ядер рождённых мышат к клеткам донора соматических клеток.Таким образом, по крайней мере в некоторых случаях доказана способность ядер соматических клеток обеспечивать нормальное развитие млекопитающих.
Тем не менее, работы с мышами, несмотря на их непростую судьбу, значительно расширили наши представления о методологии млекопитающих.
Кролики и коровы.
Американские исследователи Стик и Робл, используя метод Солтера и Мак-Грата, получили шесть живых кроликов, пересадив ядра 8-клеточных эмбрионов одной породы в лишённые ядра яйцеклетки кроликов другой породы. Фенотип родившихся полностью соответствовал фенотипу донора.
Однако только 6 из 164 реконструированных яйцеклеток (3,7%) развились в нормальных животных. Это, конечно, очень низкий выход, практически не позволяющий рассчитывать на получение таким способом клона генетически идентичных животных. Ценность этой работы, тем не менее, в том, что она показала возможность клонирования эмбрионов кроликов.
Работа с реконструированными яйцеклетками крупных домашних животных, коров или овец, идёт несколько по-другому. Их сначала культивируют не in vitro, а in vivo – в перевязанном яйцеводе овцы – промежуточного (первого) реципиента. Затем их оттуда вымывают и трансплантируют в матку окончательного (второго) реципиента – коровы или овцы соответственно, где их развитие происходит до развитого детёныша. Уиландсин предложил заключить реконструированные яйцеклетки в агаровый цилиндр, который он потом трансплантировал в перевязанный яйцевод овцы или коровы. По данным одних авторов реконструированные зародыши лучше развиваются в яйцеводе, чем в культивированной среде, хотя некоторые исследователи получили неплохие результаты и при культивировании in vitro.
Американцы Робл и его сотрудники использовали щадящий метод извлечения ядра без прокалывания мембраны яйцеклетки, предложенные Мак-Гратом и Солтером, пересаживали в зиготы так называемые кариопласты – мужской и женский пронуклеусы вместе с окружающей их цитоплазмой, а также ядра 2-, 4- или 8-клеточных эмбрионов коровы. Сначала пронуклеусы центрифугировали, чтобы освободить пронуклеусы от окружающих их гранул желтка, после чего ядра были хорошо видны под микроскопом, что значительно облегчало их удаление. При помощи манипулятора и заострённой стеклянной пипетки извлекали один из бластомеров вместе с ядром из ранних зародышей и переносили его в энуклеированную зиготы
Реконструированные зародыши были заключены в агаровый цилиндр и пересажены в перевязанный яйцевод овцы. Через пять дней культивирования их вымывали, освобождали от агара и исследовали. Реконструированные зародыши в этом случае развивались только в тех случаях, где зиготы в зиготы пересаживали пронуклеусы: 17% таких зародышей достигли стадии морулы или бластулы. Два зародыша были пересажены второму реципиенту – в матку коровы и развитие их завершилось рождением живых телят. Если в качестве доноров использовали ядра 2-, 4- и 8-клеточных зародышей, то реконструированные яйцеклетки не развивались даже до стадии морулы.
Позже были и более успешные работы. Уиландсин, в частности, сообщил, что ему удалось получить четырёх генетически идентичных бычков холстейской породы в результате пересадки в реципиентные яйцеклетки ядер бластул одного 32-клеточного зародыша. Автор утверждал, что большинство ядер сохраняют тотипотентность на 32-клеточной стадии, а значительная их часть 64-клеточной стадии, обеспечивая нормальное развитие реконструированных яйцеклеток до стадии морулы в яйцеводе. После пересадки в матку коров – окончательных реципиентов. Как полагает автор, они могут и дальше нормально развиваться.
Бондиоли и соавторы, используя в качестве доноров ядер 16-64-клеточные зародыши коров, трансплантировали 463 реконструированных зародыша в матку синхронизированных реципиентов, и было получено 92 живых телёнка. Семь из них были генетически идентичны, представляя собой клон, полученный в результате пересадки ядер клеток одного донорского эмбриона.
Таким образом, клеточные ядра зародышей крупного рогатого скота достаточно долго сохраняют тотипотентность и могут обеспечить полное развитие реконструированных яйцеклеток. Иначе говоря, методические трудности клонирования зародышей крупного рогатого скота практически решены. Но остаётся основная задача – найти донорские ядра, обладающие тотипотентностью, для клонирования взрослых животных.
Клонирование овец.
Уиландсин ещё в 1986 году показал, что эмбрионы овец на 16-клетоной стадии развития сохраняют свою тотипотентность. Реконструированные яйцеклетки, содержащие ядра бластомеров 16-клетоных зародышей, развивались нормально до стадии бластулы в перевязанном яйцеводе овцы (в агаровом цилиндре), а после освобождения от агара, пересаживали в матку овцы – второго реципиента – ещё на 60 дней. В другом случае донорами служили ядра 8-клетоных зародышей и были получены три живых ягнёнка, фенотип которых соответствовал породе овцы-донора.
В 1989 году Смит и Уилмут трансплантировали ядра клеток 16-клетосного эмбриона и ранней бластулы в лишённые ядра неоплодотворенной яйцеклетки овец. В первом случае было получено два живых ягнёнка, фенотип которых соответствовал породе овец – доноров ядер.Во втором случае один полностью сформировавшийся ягнёнок погиб во время родов. Его фенотип также соответствовал породе-донору. Авторы считали, что в ходе дифференцирования эмбрионных клеток происходит инактивация некоторых важных для развития генов и в результате ядра бластулы уже не могут репрограммироваться в цитоплазме яйцеклетки и обеспечить нормальное развитие реконструированного зародыша. Поэтому, по мнению авторов, в качестве доноров ядер лучше использовать 16-клеточные эмбрионы или культивированные in vitro линии эмбриональных клеток, ядра которых обладают тотипотентностью.
Позднее, в 1993-95 гг., группа исследователей под руководством Уилмута получила клон овец – пять идентичных животных, донорами ядер которых была культура эмбриональных клеток. Клеточную культуру получали следующим образом: выделяли микрохирургическим путём эмбриональный диск из 9-дневного овечьего эмбриона (бластулы) и культивировали клетки in vitro в течение многих пассажей (по крайней мере, до 25). Сначала клеточная культура напоминала культуру стволовых дифференцированных эмбриональных клеток, но вскоре, после 2-3 пассажей, клетки становились уплотнёнными и морфологически сходными с эпителиальными. Эта линия клеток из 9-дневного зародыша овцы была обозначена как TNT4.
Чтобы донорское ядро и реципиентная цитоплазма находилась на сходных стадиях клеточного цикла, останавливали деление культивируемых клеток TNT4 на определённой стадии (GO) и ядра этих клеток пересаживали в энуклеированные яйцеклетки (соответственно на стадии метафазы II). Реконструированные эмбрионы заключали в агар и трансплантировали в перевязанные яйцеводы овец. Через шесть дней эмбрионы вымывали из яйцеводов промежуточных реципиентов и исследовали под микроскопом. Отбирали те, которые достигали стадии морулы и бластулы и пересаживали их в матку овцы – окончательного реципиента, где развитие продолжалось до рождения. Родилось пять ягнят (самок), из них две погибли вскоре после рождения, третья в возрасте десяти дней, а две оставшихся нормально развивались и достигли 8-9-месячного возраста. Фенотипически все ягнята были сходны с породой овец, от которой получали исходную линию клеток TNT4. Это подтвердил и генетический анализ.
Эта работа, особенно в части культуры эмбриональных клеток, - значительное достижение в клонировании млекопитающих, хотя она и не вызвала особого интереса, как статья того же Уилмута с соавторами, опубликованная в 1997 году, где сообщалось, что в результате использования донорского ядра клетки молочной железы овцы было получено клональное животное – овца по кличке Долли. Последняя работа методически во многом повторяла предыдущие исследования 1996 года, но в ней учёные использовали не только эмбриональные, но ещё и фибробластоподобные клетки (фибропласты – клетки соединительной ткани) плода и клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки молочной железы получали от 6-летней овцы породы Финн Дорсет, находящейся на последнем триместре беременности. Все три типа клеточных культур имели одинаковое число хромосом – 54, как обычно у овец. Эмбриональные клетки использовали в качестве доноров ядер на 7-9 пассажах культивирования, фибробластоподобные клетки плода на 4-6 пассажах и клетки молочной железы на 3-6 пассажах. Деление клеток всех трёх типов останавливали на стадии GO и ядра клеток пересаживали в энуклеированные ооциты (яйцеклетки) на стадии метафазы II. Большинство реконструированных эмбрионов сначала культивировали в перевязанном яйцеводе овцы, но некоторые эмбрионы культивировали in vitro в химически определённой среде. Коэффициент выхода морул и бластул при культивировании in vitro в одной серии опытов был даже вдвое выше, чем при культивировании в яйцеводе (поэтому видимо нет строгой необходимости в промежуточном реципиенте и можно обойтись культивированием in vitro).
Выход морул и бластул в серии опытов с культурой клеток молочной железы, был примерно втрое меньше, чем в двух других сериях, когда в качестве доноров ядер использовали фибропластов плода или эмбриональных клеток. Число живых ягнят в сравнении с числом пересаженных в матку окончательного реципиента морул или бластул было также в два раза ниже. В серии опытов с клетками молочной железы и 277 реконструированных яйцеклеток был получен только один живой ягнёнок, что говорит об очень низкой результативности такого рода экспериментов (0,36%). Анализ генетических маркеров всех семи родившихся в трёх сериях экспериментов живых ягнят показал, что клетки молочной железы были донорами ядер для одного, фибропласты плода – для двух и эмбриональные клетки четырёх ягнят.. Овца Долли развилась из реконструированной яйцеклетки, донором ядра которой была культивируемая клетка молочной железы овцы породы Финн Дорсет. Долли фенотипически не отличается от овец этой породы, но сильно отличается от овцы-реципиента породы шотландская черномордая. Анализ генетических маркеров подтвердил этот результат.
Успех авторов этой работы, прежде всего, связан с использованием длительных клеточных культур, так как после многих пассажей в культуре клеток могли быть отобраны малодифференцированные стволовые клетки, которые вероятно и были использованы как доноры ядер. Большое значение имел также тот факт, что авторы, учитывая результат своих прошлых работ, синхронизировали стадии клеточного цикла яйцеклеток реципиента и яйцеклеток донора.
Своей работой Уилмут с коллегами продемонстрировали, что ядра клеток молочной железы взрослой овцы могут быть при определённых условиях репрограммированы цитоплазмой ооцита и дать развитие новому организму. Полученные данные заставили по-новому посмотреть на процесс клеточного дифференцирования. Этот процесс, как оказалось, не носит необратимый характер. Совершенно ясно, что цитоплазматические факторы способны инициировать развитие нового организма на основе генетического материала ядра взрослой полностью дифференцированной клетки. Таким образом, биологические часы могут быть повёрнуты вспять, и развитие организма может начаться из генетического материала взрослой дифференцированной клетки, что полностью противоречить раннее общепринятой биологической догме.
Если результаты последней работы Уилмута и соавторов окончательно подтвердятся и будет повышен коэффициент выхода живых животных при использовании в качестве доноров ядер клеток взрослых животных, то это может иметь революционное значение как в биотехнологии животных и животноводстве. Клонирование позволит сохранить не только генотип ценных и выдающихся в производственном отношении животных, но и безгранично размножать их.
Тканевое клонирование.
Учёные хотят создавать человеческие эмбрионы в лабораториях и использовать их для получения специальных клеток, которые могут применяться в революционных методиках лечения. Правда клонирование не очень-то подходит для названия этой операции, так как вызывает непонимание у людей, что же на самом деле происходит? Учёные не копируют эмбрионы, они берут генетический материал из клетки тела взрослого человека и пересаживают его в яйцеклетку, из которой удалён генетический материал.
При соблюдении определённых условий эта новая яйцеклетка может развиваться в эмбрион. Эта та самая технология, которая была использована для создания овечки Долли.
Почему учёные так интересуются этой технологией? Это даёт возможность получить так называемые стволовые клетки различных тканей, абсолютно идентичных клеткам человека, у которого был взят генетический материал. Например, учёные могут получить нервную ткань, кровь, сердечную мышцу и даже белое и серое вещество мозга.
Учёные пытались выделить стволовые клетки определённых тканей на протяжении многих лет, когда, наконец, это удалось в 1998 году. Учёные утверждают, что стволовые клетки могут обеспечить медиков полностью совместимой трансплантационной тканью. Первоначально планируется имплантировать клетки в организм для восстановления дефектов тканей, вызванных болезнью, например, восстановление сердечной мышцы после инфаркта. В будущем планируется добиться возможности выращивать из стволовых клеток полностью работоспособные ткани.
Почему клонирование является неотъемлемой частью этого? Клонирование так важно, потому что позволяет создать ткани и органы с полностью идентичным генетическим кодом. В настоящее время главная проблема трансплантологии – отторжение пересаженных органов и тканей из-за иммунного конфликта. Медики используют для его решения мощные иммунодепрессивные препараты, которые обладают большим количеством побочных эффектов. Клонирование полностью решает эту проблему – клетки имплантанты имеют то же генотип и иммунная система признаёт их за свои родные. Это снимает проблему поиска генетически подходящих доноров, например, при пересадки костного мозга. Используя ДНК, взятое из клеток кожи, учёные могут создать клетки костного мозга.
При помощи тканевого клонирования можно лечить любые болезни, вызывающие дегенеративные изменения тканей. Новая нервная ткань может помочь при болезни Альцгеймера, новая сердечная ткань при инфаркте.
Правда против тканевого клонирования есть много противников. Многие думают, что эмбрион, даже если это одна клетка, представляет собой полноценную человеческую жизнь и уничтожение его или опыты над ним равны действиям над взрослым человеком.
Заключение.
Итак, работы по клонированию позвоночных были начаты на амфибиях в конце 40-х начале 50-х гг. и продолжаются вот уже более 4-х десятилетий. Что касается амфибий, то, как было сказано в соответствующем разделе, несмотря на значительные достижение, проблема клонирования взрослых особей остаётся до сих пор нерешённой.
Установлено, что в ходе клеточного дифференцирования у позвоночных происходит либо потеря определённых генных локусов либо их необратимая инактивация. Судя по всему, утрачивается та часть генома, которая контролирует не ранние, а более поздние стадии онтогенеза, в частности метаморфоз амфибий. Механизм этого явления не поддаётся пока научному объяснению. Но очевидно, что для клонирования взрослых животных необходимо использовать малодифференцируемые делящиеся клетки.
Ещё 5-6 лет назад никто их учёных не ставил вопрос об использовании в качестве доноров ядер клеток взрослых млекопитающих. Работы сводились в основном к клонированию эмбрионов домашних животных, и многих из этих исследований были не очень успешны. Поэтому так поразило появившиеся на свет в начале 1997 года сообщение Уилмута, что ему и его коллективу удалось, используя соматические клетки взрослых животных, получит клональное животное – овцу по имени Долли.
Каково же положение вещей сейчас? Есть ли серьёзные основания считать, что реально наступила эра клонирования млекопитающих? Анализ представленных выше данных показывает, что за последние десять лет в результате кропотливой работы многих исследователей, действительно сделан прорыв в области клонирования эмбрионов млекопитающих. Что же касается взрослых животных, то пока в наличии лишь один пример, хотя Долли, без сомнения, уже вошла в историю науки.
Но у этого первого успешного эксперимента есть существенный недостаток – очень низкий коэффициент выхода живых особей (0,36%) и если учесть высокий процент гибели развивающихся реконструированных яйцеклеток в плодный период развития (62%), который в десять раз выше, чем в обычном скрещивании (6%), то встаёт вопрос о причинах гибели зародышей.
В ближайшие годы главная задача исследователей, работающих в области исследования клонирования – это, по-видимому, создание культивируемых in vitro линий малодифференцированных 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.
Что же касается вопроса о клонировании человека, то в обсуждении этого вопроса следует выделить два аспекта: методический и этический.
Методически или технически клонирование взрослых млекопитающих разработано ещё 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 планируют, например, 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, выяснив не влияют ли методические приёмы на продолжительность жизни , функциональные характеристики и плодовитость животных. Для клонирования животных очень важно снизить риск дефективного развития реконструированной яйцеклетки, главной причиной которого может быть неполное репрограммирование генома донорского ядра.
Кстати, в природе всё-таки имеются случаи клонирования человека, это однояйцовые или монозиготные близнецы – настоящие клоны с одним и тем же геномом, возникающие при разделении одной зиготы на ранней стадии развития. Это всегда только оба мальчика или обе девочки и всегда удивительно похожие друг на друга. Известно также, что эмбрион млекопитающего, в том числе и человека на самых ранних стадиях развития, у человека по крайней мере до стадии 8 бластомеров, может быть без видимых отрицательных последствий разделён на отдельные бластомеры, из которых при определённых условиях могут развиться идентичные по своему генотипу особи, по аналогии с однояйцовыми близнецами, то есть из одного 8-клеточного эмбриона могут родиться 8 мальчиков или девочек абсолютно идентичных.
Что касается этической стороны, то тут клонирование человека вызывает ещё больше возражений. Во-первых, становление человека как личности базируется не только на биологической наследственности, оно определяется также семейной, социальной и культурной средой. При клонировании индивида невозможно воссоздать все те условия воспитания и обучения, которые сформировали личность его прототипа. Во-вторых, при бесполом размножении изначально жёсткая запрограмированность генома предопределяет меньшее разнообразие взаимодействия организма с окружающими изменчивыми условиями среды. В-третьих, практически все религиозные учения настаивают на появлении человека на всет – в “руках” высших сил, что зачатие и рождение должны происходить естественным путём.
В итоге говорить о клонировании человека мы можем говорить лишь с сугубо теоретической точки зрения. В сущности речь идёт даже не о клонировании, а о получении копии отдельного индивида, поскольку термин клонирование предполагает получение некоего множества особей. Очевидно, что сегодня вероятность отрицательных последствий этой процедуры значительно превышает её выгоды, поэтому работы по клонированию человека как в настоящее время, так и в ближайшем будущем проводить нецелесообразно, так как переносить ещё нерешённую методически научную работу на опыты с человеком безнравственно. Поэтому Федерация научных экспериментальных обществ биологов США в октябре 1997 года объявила пятилетний мораторий на эксперименты по клонированию человека.
Когда же усовершенствуется метод клонирования и мы сможем клонировать человека, то проблема клонирования должна будет регламентироваться строгими рамками и правилами, касаясь возможно только медицинских проблем, скажем непреодолимого бесплодия.
Определения.
Клон – совокупность клеток или организмов, генетически идентичных одной родоначальной клетке.
Клонирование – получение идентичных потомков при помощи бесполого размножения, процесс изготовления генетически идентичных копий отдельной клетки и организма.
Тотипотентность – свойство клетки реализовывать генетическую информацию ядра, обеспечивающего развитие до целостного организма. Тотипотентная клетка способна дифференцироваться в любую ткань или специализированную клетку.
Партеногенез – развитие зародыша из неоплодотворённой клетки, девственное размножение.
Гиногенез – развитие яйца без участия сперматозоида – женский партеногенез.
Андрогенез – развитие яйца, имеющего только отцовские хромосомы – мужской партеногенез.
Энуклеация – методы, включающие полное удаление ядерного материала из яйцеклетки.
Бластомеры – клетки, образующиеся при дроблении яйца животных.
Морула – стадия в развитии зародыша, на этой стадии зародыш напоминает по внешнему виду малину, без особой обособленной полости.
Бластула – стадия в развитии зародыша, представляющая собой полный шар из одного слоя клеток, эта стадия завершает процесс дробления яйца. На стадии бластулы внутри зародыша образуется полость – бластоцель.
Гаструла – стадия в развитии зародыша, на этой стадии зародыш характеризуется наличием двухслойной стенки и полости (гастроцеля), сообщающейся с внешней средой отверстием – бластопором.
[/sms]
