Как работает клонирование

[Carder]

Клонирование животных было предметом научных экспериментов в течение многих лет, но привлекло мало внимания до рождения первого клонированного млекопитающего в 1996 году, овцы по имени Долли.

8 января 2001 года ученые Advanced Cell Technology, Inc. объявили о рождении первого клона исчезающего животного - детеныша быка-гаура (большого дикого быка из Индии и Юго-Восточной Азии) по имени Ной. Хотя Ной умер от инфекции, не связанной с процедурой, эксперимент показал, что можно спасти исчезающие виды с помощью клонирования.

Клонирование - это процесс создания генетически идентичного организма несексуальным путем. Его уже много лет используют для выращивания растений (даже выращивание растения из черенка - это своего рода клонирование).

Клонирование животных было предметом научных экспериментов в течение многих лет, но привлекло мало внимания до рождения первого клонированного млекопитающего в 1996 году, овцы по имени Долли. После Долли несколько ученых клонировали других животных, в том числе коров и мышей. Недавний успех в клонировании животных вызвал ожесточенные дискуссии среди ученых, политиков и широкой общественности по поводу использования и морали клонирования растений, животных и, возможно, людей.

В этой статье мы рассмотрим, как работает клонирование, и рассмотрим возможные варианты использования этой технологии.

Производство клонов: растительная жизнь​

Схема клонирования растений путем размножения культур тканей.

Природа клонирует организмы миллиарды лет. Например, когда растение клубники выпускает побег (вид модифицированного стебля), новое растение вырастает там, где укореняется побег. Это новое растение - клон. Подобное клонирование происходит с травой, картофелем и луком.

Люди так или иначе клонировали растения на протяжении тысячелетий. Например, когда вы берете срезанный лист растения и выращиваете из него новое растение (вегетативное размножение), вы клонируете исходное растение, потому что новое растение имеет тот же генетический состав, что и растение-донор. Вегетативное размножение работает, потому что конец черенка образует массу неспециализированных клеток, называемых каллусом. Если повезет, каллус будет расти, делиться и формировать различные специализированные клетки (корни, стебли), в конечном итоге формируя новое растение.

Совсем недавно ученые смогли клонировать растения, взяв части специализированных корней, разбив их на клетки корня и выращивая клетки корня в культуре, богатой питательными веществами. В культуре специализированные клетки становятся неспециализированными (дедифференцированными) в мозоли. Затем каллусы можно стимулировать соответствующими растительными гормонами, чтобы они вырастали в новые растения, идентичные исходному растению, от которого были взяты кусочки корня.
Эта процедура, называемая размножением культур тканей, широко используется садоводами для выращивания ценных орхидей и других редких цветов.

Производство клонов: Царство животных​

Эксперимент Гурдона по клонированию лягушки.

Растения - не единственные организмы, которые можно клонировать естественным путем. Неоплодотворенные яйца некоторых животных (мелких беспозвоночных, червей, некоторых видов рыб, ящериц и лягушек) могут развиваться в взрослых особей при определенных условиях окружающей среды - обычно это какой-то химический стимул. Этот процесс называется партеногенезом, и потомство является клонами самок, отложивших яйца.

Другой пример естественного клонирования - однояйцевые близнецы. Хотя они генетически отличаются от своих родителей, однояйцевые близнецы являются естественными клонами друг друга.

Ученые экспериментировали с клонированием животных, но никогда не могли стимулировать специализированную (дифференцированную) клетку напрямую производить новый организм. Вместо этого они полагаются на трансплантацию генетической информации из специализированной клетки в неоплодотворенную яйцеклетку, генетическая информация которой была уничтожена или физически удалена.

В 1970-х годах ученый по имени Джон Гэрдон успешно клонировал головастиков. Он трансплантировал ядро из специализированной клетки одной лягушки (B) в неоплодотворенное яйцо другой лягушки (A), в котором ядро было разрушено ультрафиолетом. Яйцо с пересаженным ядром превратилось в головастика, генетически идентичного лягушке B.

Хотя головастики Гурдона не выжили, чтобы вырасти во взрослых лягушек, его эксперимент показал, что процесс специализации в клетках животных обратим, а его метод переноса ядер проложил путь для более поздних успехов в клонировании.

Размножение
Половое размножение включает слияние двух наборов ДНК (одного из сперматозоидов отца и одного из яйцеклетки матери), чтобы произвести новое потомство, которое генетически отличается от любого из родителей. Бесполое размножение (без пола) дает потомство, генетически идентичное единственному родительскому организму.

Долли​

Схема процедуры переноса ядра, в результате которой появились первые клонированные млекопитающие.

В 1996 году клонирование произвело революцию, когда Ян Уилмут и его коллеги из Института Рослина в Эдинбурге, Шотландия, успешно клонировали овцу по имени Долли . Долли была первым клонированным млекопитающим.

Уилмут и его коллеги трансплантировали ядро из клетки молочной железы овцы Финн-Дорсетт в энуклеированное яйцо шотландской черной овцы. Комбинацию ядро-яйцо стимулировали электричеством для слияния двух и для стимуляции деления клеток. Новая клетка разделилась и была помещена в матку черной овцы для развития. Долли родилась несколько месяцев спустя.

Было показано, что Долли генетически идентична клеткам молочной железы Финна Дорсетта, а не чернолицым овцам, что ясно продемонстрировало, что она была успешным клоном (потребовалось 276 попыток, прежде чем эксперимент был успешным). С тех пор Долли вырастила и произвела потомство через нормальные половые отношения. Следовательно, Долли - жизнеспособный, здоровый клон.

После Долли несколько университетских лабораторий и компаний использовали различные модификации техники переноса ядер для получения клонированных млекопитающих, включая коров, свиней, обезьян, мышей и Ноя.

Зачем клонировать?​

Основная причина клонирования растений или животных - массовое производство организмов с желаемыми качествами, таких как завоевавшая приз орхидея или генно-инженерное животное - например, овцы были созданы для производства человеческого инсулина. Если бы вам пришлось полагаться только на половое размножение (разведение) для массового производства этих животных, то вы рисковали бы вывести желаемые черты, потому что половое размножение перетасовывает генетическую колоду карт.

Другие причины клонирования могут включать замену потерянных или умерших домашних питомцев и повторное заселение находящихся под угрозой исчезновения или даже исчезнувших видов. Какими бы ни были причины, новые технологии клонирования вызвали множество этических дебатов среди ученых, политиков и широкой общественности. Несколько правительств рассмотрели или приняли законы, чтобы полностью замедлить, ограничить или запретить эксперименты по клонированию. Понятно, что клонирование станет частью нашей жизни в будущем, но курс этой технологии еще не определен.

 

[chushpan]

Давайте глубоко погрузимся в тему клонирования, рассмотрев его историю, методы, типы, механизмы, challenges (трудности) и будущее.

Что такое клонирование? Фундаментальное понятие​

Клонирование — процесс создания генетически идентичной копии клетки, ткани, органа или целого организма. Ключевое слово — «генетически идентичный». Это означает, что ДНК клона и исходного объекта (донора) совпадают практически на 100%.

Часть 1: Естественное клонирование — Природа как первый изобретатель​

Природа mastered клонирование за миллионы лет до человека.

1. Бесполое размножение: Самый распространенный способ.
   • Бактерии и археи: Делятся бинарным делением, производя две идентичные дочерние клетки.
   • Растения: Земляника размножается усами, картофель — клубнями, тополь — корневыми отпрысками. Выращенное из черенка растение — это клон материнского.
   • Грибы: Размножаются спорами, давая начало генетически идентичным грибницам.
   • Животные: Гидра размножается почкованием, некоторые ящерицы (например, партеногенетические виды) откладывают яйца без участия самца.
2. Однояйцевые (монозиготные) близнецы: Это самый яркий пример естественного клонирования у высших организмов. Оплодотворенная яйцеклетка (зигота) на ранней стадии развития делится надвое, и каждая часть развивается в самостоятельный эмбрион. Несмотря на идентичный геном, близнецы могут иметь различия из-за эпигенетики, условий развития и случайных факторов.

Часть 2: Искусственное клонирование — Технологии человека​

Здесь мы создаем клоны целенаправленно. Существует три основных направления.

2.1. Генное клонирование (Молекулярное клонирование)​

Это основа всей биотехнологии. Цель — получить множество копий конкретного гена или участка ДНК.

• Как это работает?
  1. Выделение гена: Нужный ген вырезают из ДНК донора с помощью ферментов-«ножниц» (рестриктаз).
  2. Встраивание в вектор: Ген вставляют в специальную молекулу-переносчик — плазмиду (небольшая кольцевая ДНК бактерии).
  3. Трансформация: Плазмиду с «пришитым» геном помещают в бактериальную клетку (чаще всего — кишечную палочку E. coli).
  4. Размножение: Бактерия делится, и плазмида вместе с чужим геном реплицируется в каждой новой клетке. В биореакторе за ночь можно вырастить миллиарды бактерий, каждая из которых содержит копии нужного гена.
• Зачем это нужно?
  • Производство инсулина для диабетиков, гормона роста, вакцин.
  • Генная терапия.
  • Криминалистика (создание ДНК-зондов).
  • Фундаментальные научные исследования.

2.2. Терапевтическое клонирование (Клонирование эмбрионов)​

Цель — не создание нового организма, а получение эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), генетически совместимых с пациентом.

• Метод: Перенос ядра соматической клетки (Somatic Cell Nuclear Transfer, SCNT). Это тот же метод, что и у Долли, но с другой судьбой эмбриона.
• Детализированный процесс SCNT:
  1. Донорская соматическая клетка: Берут любую клетку тела пациента (например, фибробласт кожи). В ее ядре — полный диплоидный набор хромосом.
  2. Реципиентная яйцеклетка: Берут неоплодотворенную яйцеклетку у донора-женщины. С помощью микроиглы ее собственное ядро (пронуклеус) удаляют. Остается безъядерная клетка, содержащая цитоплазму, митохондрии и все необходимые для деления молекулы.
  3. Слияние: Ядро соматической клетки пациента вводят в безъядерную яйцеклетку.
  4. Активация: С помощью химического сигнала или слабого электрического разряда яйцеклетку «обманывают», заставляя ее поверить, что она была оплодотворена. Это запускает каскад делений.
• Ключевой момент: Полученный эмбрион на стадии бластоцисты (примерно 5-6 день развития, ~150 клеток) не имплантируют в матку. Его разрушают, чтобы извлечь внутреннюю клеточную массу — источник ЭСК.
• Применение:
  • Моделирование болезней: Создание in vitro (в пробирке) моделей болезни Паркинсона, Альцгеймера, диабета из клеток самого пациента.
  • Тестирование лекарств: Проверка эффективности и токсичности новых препаратов на человеческих клетках.
  • Регенеративная медицина: В перспективе — выращивание новых тканей (нейронов, кардиомиоцитов, клеток поджелудочной железы) для трансплантации без риска отторжения.

2.3. Репродуктивное клонирование​

Цель — рождение живого организма, являющегося генетической копией донора.

• Метод: Тот же SCNT, но с критическим отличием.
• Процесс: После успешного слияния и активации, развивающийся эмбрион на стадии бластоцисты имплантируют в матку суррогатной самки того же вида. Дальнейшая беременность протекает естественным путем (с рисками) и заканчивается рождением клонированного детеныша.
• Исторический прорыв — Овечка Долли (1996 г.):
  • Донорская клетка: клетка вымени взрослой шестилетней овцы.
  • Реципиент: безъядерная яйцеклетка.
  • Результат: Долли стала первым млекопитающим, клонированным из соматической клетки взрослой особи. Это опровергло догму о том, что специализированные клетки необратимо утратили тотипотентность.
  • Судьба Долли: Она прожила 6.5 лет (обычные овцы живут 10-12 лет), родила здоровых ягнят, но страдала от артрита и умерла от прогрессирующего заболевания легких. Это вызвало споры о здоровье клонов.

Часть 3: Глубинные механизмы и феномен Долли​

Успех Долли был основан на ключевом биологическом явлении — репрограммировании.

• Суть проблемы: Клетка вымени взрослой овцы — это высокоспециализированная клетка. В ней «выключены» гены, не нужные для ее функции, и «включены» только специфичные. Яйцеклетка же обладает уникальной способностью «обнулять» эти эпигенетические настройки.
• Что произошло в эксперименте: Цитоплазма яйцеклетки содержала специальные факторы, которые «стёрли» эпигенетическую память ядра соматической клетки и вернули его в тотипотентное состояние — состояние, когда ядро способно управлять развитием целого организма. По сути, ядро клетки вымени «забыло», что оно было частью вымени, и начало вести себя как ядро только что оплодотворенной яйцеклетки.

Часть 4: Проблемы, риски и этические дилеммы​

Биологические проблемы (Почему клонирование так сложно?)​

1. Низкая эффективность: Успешными являются 1-3% попыток. На создание Долли ушло 277 реконструированных яйцеклеток, 29 ранних эмбрионов и 1 рожденная овца.
2. Эпигенетические ошибки: Это главная проблема. Процесс репрограммирования в SCNT несовершенен. Некоторые «взрослые» метки на ДНК (метилирование) не стираются, а гены, которые должны быть активны в эмбрионе, не включаются. Это приводит к аномалиям развития.
3. Синдром большого потомства (Large Offspring Syndrome): У клонированных животных часто наблюдается увеличенный вес при рождении, большие органы, проблемы с дыханием и иммунной системой.
4. Теломерный конфликт: Теломеры — «защитные колпачки» на концах хромосом, которые укорачиваются с каждым делением клетки. У Долли теломеры были короче, чем у ее ровесниц, что указывало на ее «биологический возраст» донорской клетки. Хотя последующие клоны не всегда показывали этот эффект, проблема остается предметом изучения.

Этические дилеммы​

• Репродуктивное клонирование человека:
  • Против: Неприемлемо из-за высоких рисков выкидышей, мертворождений и тяжелых уродств у ребенка. Нарушение человеческого достоинства, индивидуальности. Риск создания людей как «запасных частей».
  • За (гипотетически): Помощь бездетным парам (при утрате единственного ребенка), возможность иметь генетически собственного ребенка однополой паре.
  • Консенсус: Строгий запрет или мораторий на репродуктивное клонирование человека действует в большинстве стран мира.
• Терапевтическое клонирование человека:
  • Против: Противники считают, что эмбрион, даже на стадии бластоцисты, — это уже человеческая жизнь, и ее разрушение ради стволовых клеток равноценно убийству.
  • За: Эмбрион до имплантации не обладает нервной системой и не может считаться личностью. Потенциальная польза для миллионов пациентов, страдающих от неизлечимых болезней, перевешивает этические concerns.

Часть 5: Будущее клонирования​

1. Совершенствование SCNT: Ученые ищут способы улучшить репрограммирование, чтобы снизить количество ошибок.
2. Альтернатива: iPSC (индуцированные плюрипотентные стволовые клетки): Нобелевская премия 2012 года. Это метод, при котором обычную соматическую клетку (кожи) с помощью 4-х генов можно «перепрограммировать» обратно в состояние, подобное эмбриональной стволовой клетке, без использования яйцеклетки и без создания эмбриона. Это снимает многие этические проблемы терапевтического клонирования.
3. Сохранение биоразнообразия: Клонирование исчезающих видов (гаур, черноногая хоречка) и даже воскрешение вымерших (мамонт, странствующий голубь) — амбициозные, но пока ограниченные проекты.
4. Сельское хозяйство: Клонирование элитных племенных животных с ценными признаками.

Заключение​

Клонирование — это не фантастика, а мощный и многогранный научный инструмент. От копирования единичных генов для производства лекарств до попыток создания целых организмов — эта технология продолжает развиваться. Ее будущее лежит не в массовом «тиражировании» людей, а в области персонифицированной медицины, биотехнологий и сохранения жизни на Земле, сопровождаясь постоянным и крайне важным диалогом между наукой и обществом о ее этических границах.