У наше століття інформаційних технологій складно знайти людину, яка хоча б раз не чув про овечку Доллі, генетичних експериментах, страшному слові «клонування». Однак клонування придумав, взагалі кажучи, не людина, для багатьох організмів клонування можна вважати цілком природним процесом.
Ірина Боде розкладає по полицях основи технології і розповідає про те, до чого призведе розвиток клонування.
природні коріння
Найпростішим способом розмноження завжди було просте ділення надвоє. Такий поділ дозволяє популяції дуже швидко зайняти весь ареал, не шукати статевого партнера, а також не вимагає спеціальних пристосувань на зразок статевих клітин. Таким способом розмножуються, наприклад, бактерії. Однак все дочірні бактерії - це генетичні копії материнської, тому при виникненні негативного зовнішнього фактора під загрозою опиняється вся популяція. Як же тоді бактеріям вдається брати участь в гонці озброєнь з антибіотиками? Тут вся справа в мутаціях і в відкритому в 1946 році примітивному статевому розмноженні бактерій, за допомогою якого бактерії і здатні передати корисні мутації іншого покоління.
Малюнок з сайту Agroxy.com
Деякі рослини теж здатні розмножуватися вегетативно, наприклад, картопля або тюльпан. Розмноження рослин вегетативним способом дозволяє людству заощадити багато часу і приносить великі врожаї.
Клонування відбувається навіть у тваринному світі, наприклад, у деяких видів ящірок, броненосців, поширене воно і у комах. Таким чином, можна зробити висновок, що сам процес є не чимось, придуманим людиною, а цілком собі робочої схемою для багатьох організмів.
Малюнок з сайту StarWars.wikia.com
Науково-фантастична індустрія часто представляє клонів такими собі зомбі або двійниками. Все це не відповідає дійсності. Клон, всупереч одному з думок, не є ксерокопією донора ДНК, це всього лише ідентичний генетично організм, який в процесі свого розвитку може почати виглядати зовсім по-іншому (порівняти їх можна з однояйцевими близнятами з однаковим генотипом, але з різними інтересами, зовнішніми ознаками і поглядами на життя).
види клонів
Процес клонування потенційно дає людству неймовірні можливості. Ми не будемо торкатися в даному матеріалі етичних сторін даного феномена, а зосередимося на самому процесі, історії і те, чому людині спало на думку почати дослідження в цьому напрямку.
Існують різні види штучного клонування: генетичне, репродуктивне, терапевтичне. Генетичне клонування має на увазі під собою відтворення генів, сегментів ДНК. Репродуктивне - створення копій вихідної особини. Терапевтичне відноситься до створення ембріональних стовбурових клітин для експериментів зі створення штучних тканин, які можна використовувати для пересадки, наприклад, при опіках. Генетичне клонування дуже сильно відрізняється від репродуктивного та терапевтичного. Останні використовують дуже багато однакових підходів і методик, однак мети у них різні.
Дослідники використовують техніки клонування для створення безлічі копій генів, які вони використовують. Процедура полягає в тому, що досліджуваний ген включається в ДНК організму, званого вектором. Після цього вектор (найчастіше це бактерії, віруси, дріжджі) в лабораторних умовах відтворює безліч копій гена, синтезує білок і взагалі робить багато корисних штук. Таким чином, наприклад, отримують інсулін, вставляють ген інсуліну людини в геном бактерій, які синтезують такий необхідний гормон.
Для репродуктивного клонування і створення клону дослідники виділяють дорослі соматичні клітини, потім переносять ДНК в яйцеклітину, з якої попередньо було вилучено ядро. Потім така яйцеклітина імплантується в матку сурогатної матері.
жива копія
У другій половині XIX століття Август Вейсман припустив, що обсяг генетичної інформації з кожним поділом зменшується, а результати диференціювання залежать від послідовності поділу генома між клітинами. Ця теорія була приваблива тим, що її можна було перевірити. Експериментально вона начебто була підтверджена в 1888 році Вільгельмом Ру, який за допомогою гарячої голки знищив одну з кліток двуклеточного ембріона жаби (бластомерів), з якого згодом розвинулася тільки половина зародка. Він припустив, що деякі гени втрачаються в процесі розвитку, що призводить до такого збитковий розвитку.
Хансон Дріш
Однак ці результати незабаром були спростовані німецькою біологом Гансом Дріш, творця так званого критичного віталізму, вченні про наявність в живих організмах якийсь надприродною сутності, яка не може бути пояснена з наукової точки зору. Він експериментально виявив, що кожен з фізично розділених бластомерів зародків морських їжаків утворює цілі ембріони. Аналогічні результати були отримані з виділених бластомеров амфібій.
З розділеної яйцеклітини виходили окремі особини, з чого можна було зробити висновок, що організм має неймовірну здатність відтворювати ціле з частини. Вчений намагався довести, що існує якийсь певний фактор цілісності, який відрізняє живе від неживого. Цю внутрішню силу він назвав так само, як і Аристотель, ентелехией. Ентелехия за Арістотелем - це та сила, яка дозволяє дереву вирости з насіння. В кінцевому підсумку саме результати цих експериментів зіграли величезну роль у формуванні погляду Дріша на світ і з'явилися свого роду фундаментом, на якому була побудована концепція віталізму.
Ханс Шпеман
Згодом проводилося безліч дослідів з саламандрами і лягушкамі.В однією з серії експериментах на зародках саламандри німець Ханс Шпеман перев'язував запліднену яйцеклітину за допомогою волоса таким чином, щоб ядро залишалося в одній частині клітини. В результаті ділитися продовжувала тільки половина зиготи. Після чотирьох клітинних поділів, вчений послаблював петлю, даючи ядру зрушити в сторону непроліферірующей частини зиготи. Ця клітина переросла в новий ембріон і продовжила ділитися.
По суті це був перший випадок ядерного переносу, було показано, що ядро з раннього ембріонального періоду управляє зростанням зародка. Шпеман також сформулював теорію організаційних центрів, або організаторів - певних точок, тканин і органів в зародку, які визначають тип і швидкість диференціювання інший тканини або органу. Вчений працював в області проблем регенерації, а також імунної інженерії, тісно пов'язаних між собою. Його експерименти, побудовані на пересадці і зміни місць організаторів, є доказами його мікрохірургічного мистецтва, а результати цих дослідів підтверджують теорію організаторів. Так пересаджений зачаток ока викликав зміни навколишніх тканин, шкіра поруч з зачатком всюди перетворювалася в рогівку.
прорив
Роберт Бріггс
По-справжньому знаковим в області клонування стало дослідження Роберта Бріггса і Томаса Кінга в 1952 році, коли вченим вдалося пересадити ядро з раннього ембріона пуголовка в без'ядерну яйцеклітину жаби, і отримана клітина розвинулася в пуголовка. За цим послідувало успішне клонування жаби в 1958 році Джон Гердон. В одному з інтерв'ю після присудження йому Нобелівської премії Гердон зауважує, що про те, що спадкова інформація міститься саме в ядрі клітини, люди здогадувалися вже давно, так, наприклад, Август Ребер намагався в XIX столітті пересадити жаб'ячі ядра в жаб'ячі яйцеклітини, але у нього нічого не вийшло, так як техніка експерименту ще кульгала.
Відмінність експериментів Бріггса-Кінга і Гердона полягало в тому, що Гердон використовував ядро кишкової клітини дорослої жаби, а Бріггс і Кінг - ядро іншої яйцеклітини. Примітно, що Бріггс і Кінг проводили подібний експеримент, але на іншому вигляді жаб. Справа в тому, що американська леопардова, яку використовували Бріггс і Кінг, розмножується тільки раз на рік, а шпорцевая - круглий рік. Фактор удачі в черговий раз зіграв свою роль. Спочатку скепсис його колег вкрай заважав Гердону: все ж він намагався спростувати раніше отримані результати таких мастодонтів від біології, як Бріггс і Кінг. Однак незабаром його стало визнавати наукове співтовариство, він отримав звання лицаря, а через 50 років після публікації, в 2012 році, отримав Нобелівську премію.
Томас Кінг
Ссавці довгий час залишалися для вчених головним болем, так як яйцеклітини ссавців багато менше, ніж у жаб і саламандр. Це означає, що з ними важче проводити маніпуляції. Проблем додавала також необхідність імплантації заплідненої яйцеклітини в матку самки. Вчені вирішили вибрати в якості піддослідних тварин мишей і кроликів через їх короткого репродуктивного періоду. Дереку Бромхеллу в 1975 році вдалося перенести ядро з ембріональної клітини кролика в без'ядерну кролячу яйцеклітину. Цю яйцеклітина не підсаджували сурогатної матері, тому нічого не можна було сказати про життєздатність ембріона, але навіть такі результати вже були великим успіхом.
На шляху до Доллі
У 1984 році вперше було створено тварина завдяки ядерному переносу. Експеримент провів данський учений Стін Вілладсен, використовуючи клітини ембріона ягняти. Результатом експерименту стало народження трьох живих ягнят. Дуже схожі експерименти були проведені також і на коровах. Вчений проводив експерименти зі створення химер, тварин, які були наполовину вівці, наполовину корови. Про особу вченого його колега, доктор Ендрю Уотсон, з яким Вілладсен працював деякий час відгукувався про нього так: «Він не слід бездумно якомусь існуючому шляху, а прокладає свій власний. Він встановлює правила і тенденції ».
Сам Вілладсен все дитинство провів на фермі. Якийсь час майбутній вчений працював ветеринаром на бойні, його робота полягала в потрошінні свинячих туш. Однак усвідомивши, що витрачає своє життя без сенсу, він кинув свою роботу і поїхав в Копенгаген, щоб зайнятися дослідженням дозрівання яйцеклітин корів в лабораторії. Так почалася його кар'єра вченого в області клонування.
Його експерименти з химерами в Кембриджі були досить успішними, проте в 1985 році Вілладсен знову розчаровується і залишає Англію і іеряеі слід своїх творінь. Він підозрював, що, як і більшість створених тварин, вони були в кінцевому підсумку вбиті. Але його робота не залишилася непоміченою. Вона змусила звернутися до клонування ще невідомо тоді вченого Іена Уилмута, людини, який створив Доллі.
Іен Уилмут
Іен Уилмут в 1973 році був частиною команди вчених, яка народила першого теляти із замороженого ембріона, названого згодом Фрости (Морозний). Його кар'єру змінив розмову в пабі в 1986 році, коли йому повідомили про ще неопублікованої роботі Вілладсена. З тих пір Уилмут почав досліджувати можливість клонування вівці з клітин вже дорослої особини.
Британець Кіт Кемпбелл цікавився тваринами з самого раннього віку. Ще зовсім маленьким він постійно тягав додому жаб, часто їх було настільки багато, що вони заполоняли всю кухню. Після закінчення школи він став медичним техніком, але потім вирішив отримати ступінь в галузі мікробіології, активно займався питаннями клітинного росту. У Рослінському університеті він працював над питаннями зберігання генетичної інформації в різних типах клітин, наприклад, чи може живе тварина бути «відновлено» з однієї клітини? Кемпбелл пізніше писав, що в цей час було відомо, що більшість клітин всередині дорослого організму містять неушкоджений геном, однак багато вчених були налаштовані скептично проти того, що ядра таких клітин можуть бути перепрограміровать для контролю розвитку організму.
Ядро кожної клітини містить повний набір генетичної інформації. Проте, в той час як ембріональні клітини готові активувати будь-який ген, диференційовані клітини дорослого організму вже «вимкнули» ті гени, які їм не потрібні для виконання конкретних функцій. Коли ядро дорослої клітини використовується в якості донора, його генетична інформація повинна реалізуватися як в ембріональної. Часто процес подібного «скидання налаштувань» є неповним, і ембріони не розвиваються.
Коли була опублікована неправдива інформація про успішне клонування мишей, фінансування досліджень клонування різко скоротили. Уилмут з Кемпбеллом працювали практично одні, в той час як інша частина наукового співтовариства взагалі відмовилася від проведення експериментів.
Але в 1996 році у них вийшло: на світ з'явилися клони, отримані з культивованих в лабораторних умовах овечих клітин. Овечок назвали Меган і Мораг.
вівця Доллі
І нарешті, з 277 спроб ядерного переносу у британців одна була вдалою, і ембріон все ж підсадили сурогатної матері. У 1996 році Іен Уилмут і Кіт Кемпбелл створили овечку Доллі, перший ссавець, яке було створено з соматичної клітини за допомогою ядерного переносу.
Уже в 1997 році Іен Уилмут, Кіт Кемпбелл і Ангеліка шники проводили новий експеримент. На цей раз дослідники ввели ген людського фактора IX, що відповідає за згортання крові (при його відсутності виникає один з видів гемофілії), в геном клітин шкіри овець, вирощених в лабораторії. На честь Доллі овечки були названі Поллі і Моллі. Для створення трансгенної вівці вчені проводили ядерний перенос ДНК донора з культивованих трансгенних клітин. Результатом стали проби молока овець, в яких було знайдено фактор IX. Цей експеримент показав, що вівці можуть бути використані для отримання біоінженерного молока, що містить багато корисних білки. Такі результати відкрили безліч дверей, зокрема, для потенційної комерціалізації виробництва.
Результати цих експериментів - показник того, як кооперація талановитих людей дозволяє досягати нових наукових висот.
Кіт Кемпбелл
Початковий вибух уваги спричинив за собою хвилю моральної і етичної дискусії про те, до чого можуть призвести такі експерименти, чи може клонування людини стати можливим вже найближчим часом? Кемпбелл різко відкидав таку можливість, назвавши подібний результат нереальним. Одного разу він навіть сказав, що «існують групи людей, які вважають, що життя починає в момент зачаття і що ми не повинні використовувати ембріони для своїх досліджень». Він також додав, що як тільки потенційна вигода буде ясна для кожного, методика буде зустрічатися з великим схваленням.
Кемпбелл стверджував, що цей напрям досліджень призведе до важливих досягнень в галузях охорони здоров'я, пов'язаних з віковими захворюваннями і розробкою нових методів лікування людей і тварин, а також може допомогти зберегти вимираючі види.
Після експерименту з Доллі безліччю вчених були проведені експерименти з клонування ссавців, в 1997 році на світ з'явився перший клон примату. Клонування ідентичних приматів зменшило б кількість необхідних для наукових досліджень тварин. З 29 ембріонів два змогли розвинутися, в результаті народилися дві мавпи, Неті і Дитто.
За останні 50 років вчені змогли клонувати досить багато видів тварин: кішок, собак, биків, щурів, кроликів, оленів. Вважається, що таким способом можна запобігти вимирання рідкісних видів, можливо, навіть відродити деякі з вже вимерлих. Так, наприклад, ведуться дослідження з генетичної реконструкції птиці додо, маврикійського дронта. Дослідження очолює молекулярний біолог Бет Шапіро з каліфорнійського університету Санта-Круз. У перспективі такі дослідження дають можливість відродити вимерлих мамонтів або динозаврів.
хвороби клонів
Овечку Доллі довелося приспати в 2003 році. За час свого життя вона встигла залишити після себе потомство і стати найвідомішою вівцею в історії. В цілому вона була звичайнісінькою вівцею. Деякі дослідники не пов'язують її смерть з клонуванням, так як хвороби, якими хворіла Доллі, були властиві і звичайним, не клонування овець: важкий артрит, захворювання легенів. Інші ж вчені наполягають на зв'язку між клонуванням і зменшеною тривалістю життя.
Досліднікі спостерігалі деякі неспріятліві Наслідки для здоров'я у клонів. До них відносяться Збільшення Розмірів тела при народженні и Різні дефекти в жіттєво важлівіх органах. Інші проблеми відносяться до передчасно старіння и проблем з імунною системою. Ще однією потенційною проблемою.Більше є відносній вік хромосом. У міру поділу клітін, кінцеві ділянки хромосом, теломери, зменшуються. Згідно смороду стають настолько короткими, что клітина НЕ может больше ділітіся, и гине. У клонів хромосоми могут буті Коротше, чем зазвічай. Деякі вчені пов'язують з цим смерть Доллі, яка прожила в середньому на 6 років менше, ніж звичайні вівці.
перспективи
Шухрат Міталіпов
Одним з останніх яскравих досягнень в області клонування є отримання стовбурових клітин за допомогою ядерного переносу, стаття про це була опублікована 15 травня 2013 року в журналі Cell. Шухрат Міталіпов і його колеги виявилися першими, хто використав ядра соматичної клітини для створення людського ембріона, який міг би бути використаний як джерело стовбурових клітин. Успіх даного експерименту відкриває нові горизонти використання стовбурових клітин пацієнтів. Наприклад, можна буде використовувати їх для розуміння причини захворювання і знаходження підходів до персоналізованого лікування.
Ембріональні стовбурові клітини мають унікальну можливість генерувати практично всі типи клітин в організмі. Вони можуть бути використані для заміни уражених тканин в лабораторних умовах. Крім того, можна буде більше дізнатися про молекулярні причини хвороб, вивчаючи лінії ембріональних стовбурових клітин клонів хворих людей і тварин. Також вони можуть бути відмінними моделями для тестування нових терапевтичних препаратів.
Багато дослідників вважають, що вивчення стовбурових клітин в ракурсі терапевтичного клонування є запорукою успіху в лікуванні захворювань людини. Проте, деякі експерти стурбовані вражаючою схожістю між стовбуровими і раковими клітинами. Обидва типи можуть розмножуватися до нескінченності, показано, що в стовбурових клітинах можуть накопичуватися мутації, які можуть привести до розвитку раку. Таким чином, необхідно більш чітко розуміти зв'язок і різницю між цими типами клітин, а для цього потрібні подальші дослідження.
Що ж стосується людини, то багатьом видається неймовірно привабливою думка про те, що можна клонувати, наприклад, Чака Норріса, чий клон зможе радувати нас ще багато років на телебаченні. Звичайно, є і більш адекватна причина: клонування може бути використано для вирощування донорських органів. Однак клонування людини до цих пір залишається чимось з роду фантастики.
З технічної точки зору, клонування людини набагато складніше, ніж інших ссавців. Однією з причин є те, що клітинний центр, необхідний для ділення клітин, розташований в безпосередній близькості від ядра в яйцеклітинах. Отже, видалення ядра з яйцеклітини може торкнутися і клітинний центр, перешкоджаючи поділу. Крім того, деякі барвники і ультрафіолет, які використовуються для проведення видалення, можуть привести до пошкодження яйцеклітини і запобігти її зростання.
Репродуктивне клонування є вкрай неефективною технікою, і більшість ембріонів не може розвинутися в здорових особин. У поєднанні з проблемами безпеки це є великою перешкодою для застосування техніки в цілях відтворення.
***
Очевидно, що клонування стане повсякденною реальністю в найближчі десятиліття, і багато нерозв'язні проблеми медицини залишаться назавжди в минулому.
Если ви нашли помилки, відiлiть ее ведмедика та натісніть Ctrl + Enter
У Рослінському університеті він працював над питаннями зберігання генетичної інформації в різних типах клітин, наприклад, чи може живе тварина бути «відновлено» з однієї клітини?
