Особенности клонирования

На протяжении многих тысячелетий разведения животных человеку, видимо, не раз приходила в голову мысль о хозяйственной ценности животных — быстроходных лошадей, коров, свиней, овец, кур-несушек. Многие, наверное, не раз задумывались о смелой идее сделать таких животных «бессмертными» способом воспроизводства их в следующих поколениях в виде совершенно идентичных копий.

В действительности животные умирали, оставив после себя потомство, причем ни один из представителей не был идентичен ни одному из своих родителей также, как и его самого не повторял ни один из потомков последующих поколений.

Воспроизводство организмов, полностью идентичных уникальной по продуктивности особи, становится возможным лишь при условии, что генетическая информация матери будет передана дочерям без каких-либо изменений. Однако при естественном половом размножении этому препятствует мейоз. В процессе мейоза несозревшая яйцеклетка, характеризующаяся двойным набором хромосом (диплоидная клетка), делится дважды, в результате чего возникают четыре гаплоидные клетки с одинарным набором хромосом.

Три из этих клеток дегенерируют, а четвертая, имеющая наибольший запас питательных веществ, становится яйцеклеткой. В силу своей гаплоидности у многих животных она развивается в новый организм. Это происходит в результате ее слияния с гаплоидным сперматозоидом (оплодотворение). Разумеется, организм, развивающийся из оплодотворенной клетки, приобретет признаки, определяющиеся взаимодействием материнской и отцовской наследственности. Таким образом, при половом размножении повторение матери в потомстве не представляется возможным.

Можно ли, несмотря на данную закономерность, сделать так, чтобы клетка развивалась только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически эту задачу можно решить двумя способами: хирургическим и терапевтическим….

Ученые США сообщают о растущем числе случаев ухудшения здоровья клонированных животных. Этот факт может послужить предупреждением тем, кто стремится к человеческому клонированию. В интервью газете «Нью-Йорк тайме» эксперты в области клонирования пояснили, что у многих клонированных животных наблюдаются сердечные и легочные заболевания, а также нарушения функционирования иммунной системы.

Следует отметить, что второй метод был открыт значительно раньше русскими учеными. Зоолог Московского университета А. А. Тихомиров выяснил, что яички тутового шелкопряда под химическим воздействием начинают развиваться без оплодотворения. Однако это развитие останавливалось, поскольку эмбрионы погибали еще до вылупления личинок из яиц.

В 30-х гг. XX в. Б. Л. Астауров провел ряд иследований, которые впоследствии получили мировую известность, и подобрал термическое воздействие, которое одновременно активизировало неоплодотворенное яйцо к развитию и останавливало стадию мейоза. Таким образом диплоидное ядро яйцеклетки не превращалось в гаплоидное. Развитие с ядром, оставшимся диплоидным, заканчивалось вылуплением личинок с генотипом, аналогичным материнскому, включая пол. Таким образом, в результате амейотического партеногенеза были выведены первые генетические копии, идентичные матери.

Количество вылупившихся гусениц определялось жизнеспособностью матери. По этой причине у «чистых» пород вылупление гусениц оставалось в пределах нескольких процентов, а у более жизнеспособных гибридов оно достигало 50 %. Несмотря на успешность эксперимента, автор этого метода был разочарован, поскольку потомство отличалось пониженной жизнеспособностью на эмбриональной и постэмбриональной стадиях развития (гусеница, куколка, бабочка). Развитие гусениц было неравномерным, многие из них были уродливыми, а свитые ими коконы существенно различались по массе.

Позже метод был усовершенствован путем гибридизации между селекционными линиями. Таким образом, появилась возможность повышения жизнеспособности клонов, однако довести до нормального уровня другие характеристики не удалось. Масса партеногенетических коконов не превышала 82 % от массы нормальных коконов этого генотипа.

Несколько позже были установлены причины партеногенетической депрессии и выведены новые клоны самок, отличающиеся высокой жизнеспособностью. Вскоре с помощью методов, позволяющих накапливать гены партеногенеза, были выведены и клоны самцов с высоким уровнем жизнеспособности. Следует отметить, что депрессия у тутового шелкопряда значительно меньше, чем у млекопитающих животных. У последних яйцеклетка с диплоидным ядром, полученны в результате слияния двух женских или двух мужских гаплоидных ядер, не развивается в организм.

В результате скрещивания жизнеспособных самцов с клонами их «матерей» или склонными к партеногенезу самками других клонов было выведено потомство с большей склонностью к партеногенезу. От наиболее жизнеспособных самок получали новых клонов.

В результате многолетнего отбора в генотипе селектируемых клонов было накоплено большое число генов, обладающих высокой жизнеспособностью и склонностью к партеногенезу. Вылупление гусениц достигло 90 %, а их жизнеспособность увеличилась до 100 %. Следует отметить, что клоны опередили в этом отношении обычные породы и даже гибриды. В дальнейшем было произведено скрещивание двух генетически отличающихся клонов разных рас и от лучших гибридных самок были выведены наиболее жизнеспособные клоны.

Однако, несмотря на важное научное значение полученных результатов, для практики вышеописанные клоны были непригодны. Самки шелкопряда съедают на 20 % больше листа шелковицы, в то время, как их коконы содержат на 20 % меньше шелка. Таким образом, более выгодным с экономической точки зрения было бы разведение только самцов. А возможно ли клонирование самцов? Этот вопрос важен не только в шелководстве, но и во многих других отраслях животноводства.

Животный мир разделен на две группы. У одной группы женский пол определяется наличием в генотипе двух одинаковых половых хромосом (XX), а мужской — разных (XY). Другая группа характеризуется женскими хромосомами XY и мужскими XX. В первую группу входят человек, сельскохозяйственные животные, а также ряд других менее высокоорганизованных животных, например муха дрозофила. Ко второй группе относятся некоторые виды бабочек, в том числе и тутовый шелкопряд….

По мнению, ученых, клонирования в большинстве случаев вызывает сбои случайного характера на уровне индивидуальных генов. Например, некоторые клонированные мыши сначала развивались соответственно норме, а затем резко набирали вес.

Неудивительно, что из неоплодотворенных яиц сельскохозяйственных животных нельзя получить самца, поскольку в женском ядре нет хромосомы Y. Таким образом, клонирование самца возможно только путем пересадки его диплоидного яйца, взятого из пригодной для данной цели ткани тела, в безъядерную яйцеклетку.

Что касается клонирования тутового шелкопряда, это стало возможным после того, как были получены уникальные самцы. У некоторых особей парные гены были идентичными, то есть гомозиготными. На начальном этапе такие самцы клонировались особым мужским партеногенезом (андрогенезом). Это выполнялось следующим образом. Путем воздействия гамма-лучей и высокой температуры ядро яйца лишали способности к оплодотворению. Ядро проникшего в такое яйцо сперматозоида, не найдя жизнеспособного женского ядра, удваивалось и приступало к развитию мужского зародыша, повторяющего генотип отца.

Таким образом выводились мужские клоны в десятках поколений. Впоследствии один из таких клонов был преобразован в обоеполую линию, включающую генетически идентичных (за исключением пола) самок и самцов. По причине того что основоположником данной линии являлся полностью гомозиготный самец, полученный в результате размножения, приравненного к самооплодотворению, он сам и линия двойников обоих полов имели пониженную жизнеспособность. В результате скрещивания двух таких линий были получены гибридные, а соответственно, высоко жизнеспособные двойники.

Данные результаты не соответствуют трудоемким методам такого же назначения у других животных. Число их двойников ограничивается единицами. Полученные двойники были очень полезны для самых точных исследований, результаты которых не завуалированы генетическим разнообразием подопытных шелкопрядов, как это происходит с обычным гетерогенным материалом. В настоящее время подобные исследования проводятся с достаточной достоверностью на гораздо меньшем числе особей, чем ранее.

Таким образом, можно сделать вывод, что выведенные клоны шелкопряда обоих полов непригодны для практического шелководства. Однако данные результаты могут быть использованы не непосредственно в шелководстве, а с целью получения потомства, обладающего большей степенью продуктивности, чем при обычном половом размножении….

Эксперимент с Долли стоил ученым около 50 тысяч долларов. Очевидно, что, прежде чем подобные эксперименты станут менее убыточными с экономической точки зрения, нужно значительно повысить их продуктивность.

Ниже будет описана примерная схема использования клонов в промышленном шелководстве. Из большого количества коконов выбираются те, в которых развиваются самки, обладающие наибольшей степень продуктивности, и от каждой самки выводится партено-генетическое потомство. В дальнейшем используются партеногенетические коконы, представляющие наибольшую продуктивность матерей и проявляющие высокую склонность к партеногенезу. После этого проводится скрещивание с определенными клонированными самцами, и из полученного поколения гибридов выбираются для производства клоны, дающие наиболее ценное во всех отношениях потомство.

Высокие качества потомства определяются не только предшествующей селекцией, но и тем, что в процессе отбора особей на признак высокой склонности к партеногенезу в их генотипе образуется комплекс генов жизнеспособности, компенсирующий негативное влияние искусственного размножения. В случае перевода клонов на половое размножение данный комплекс оказывается несбалансированным и в значительной степени повышает гетерозис.

Таким образом, для скрещивания в промышленных целях были взяты наиболее уникальные самцы и получен только один, более продуктивный мужской пол. Представленная схема нового типа разведения шелкопряда увенчалась 3 впервые полученными достижениями экспериментальной биологии:

— использованием генетических копий;

— массовым получением нужного пола;

— высокой степенью повышения гетерозиса.

Следует отметить, что, благодаря использованию женских партеноклонов в промышленном шелководстве полностью исчезают сложности с выведением урожайных гибридов стопроцентной чистоты. Дело в том, что в данном случае полностью исключается трудоемкое и неточное разделение по коконам племенных самок и самцов для межпородного скрещивания. Имеется огромное количество генетических копий матери, отца, сестер и братьев, и первые из них уже доведены до промышленного использования….

В настоящее время в кругах генетиков ведутся споры о том, действительно ли клонированные животные живут меньше, чем их собратья, зачатые и рожденные естественным путем.

Данная схема прошла государственные испытания в ряде стран с высоким уровнем развития шелководства и рекомендована для практического применения, поскольку дает возможность увеличения выхода шелка-сырца более чем на 30 %. Следует также отметить, что метод повышения гетерозиса является очень эффективным не только в отношении животных, но и растений. Например, данный метод был успешно использован селекционером В. Д. Наволоцким при выведении нового сорта ячменя.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что клонирование оказалось достаточно эффективным в шелководстве. Не вызывает сомнений тот факт, что следует разрабатывать совершенные методы клонирования других сельскохозяйственных животных.

Возможно, описанная схема использования не самих клонированных животных, а их потомства была бы эффективной применительно к крупным сельскохозяйственным животным. В настоящее время сперма многих племенных быков заморожена на долгие годы. Если в результате осеменения этой спермой коров получится хорошее потомство, то с целью его воспроизводства в ряде поколений следует клонировать только коров. Если их генетические копии будут неполноценными в каком-либо отношении, при хороших условиях содержания животных и использования их для гибридизации это не будет иметь принципиального значения.

Как говорилось выше, клонировать млекопитающих можно и другим — хирургическим — способом. Хирургический способ основан на замене гаплоидного ядра в яйцеклетке на диплоидное ядро, полученное из клеток эмбрионов. Эти клетки еще не являются дифференцированными, то есть закладка органов еще не началась, поэтому их ядра могут заменить функцию диплоидного ядра только что оплодотворенной яйцеклетки.

Именно таким методом У. Р. Бриггс и Т. Дж. Кинг (США, 1952 г.), Д. Б. Гордон (Англия, 1960 г.) получили генетические копии лягушки, а ученый из Швейцарии К. Ильмензее — клон мыши. Наконец, в XX в. шотландец Я. Вильмут с помощью хирургического метода создал всемирно известную овцу Долли, являющуюся генетический копией своей матери.

Успех был обусловлен тем, что вместо инъецирования нового ядра использовалось воздействие, способствующее слиянию лишенной ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этой операции яйцеклетка с оплодотворенным ядром развивалась, как оплодотворенная. Разумеется, судить о преимуществах и недостатках клонирования по одной овце рано. Однако несомненно является важным то, что хирургический метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны важнейшие для человека хозяйственные признаки.

Таким образом, проблема клонирования становится все ближе к человеку. Это насторожило общественность и спровоцировало острые противоречия о правомерности такого радикального вмешательства в природу человека. Разумеется, для решения проблемы клонирования человека предстоит пройти труднопреодолимые препятствия. Достаточно вспомнить сложности и разнообразие методов при получении жизнеспособных клонов тутового шелкопряда.

И все таки мысль клонировать гениев человечества остается весьма заманчивой. Человечество уже давно не подвержено ни естественному, ни искусственному отбору. Последний не представляется возможным по ряду биологических и этических причин. Можно предположить, что искусственный отбор по интеллектуальным способностям привел бы к поразительным результатам. Однако нет гарантии, что индивидуумы со сверхинтеллектом не будут неполноценными в каком-либо другом отношении, как это часто происходит при клонировании животных. Дело в том, что переразвитие какого-либо одного признака практически всегда снижает другие жизненно важные показатели, например жизнеспособность.

Воспроизводство генетических копий человека стало бы в один ряд с величайшими достижениями науки, однако разработка методов клонирования на человеке должна быть запрещена до тех пор, пока на животных не будет доказано, что хирургический метод клонирования не ведет к пагубным последствиям, влияющим на здоровье генетический копии. Любые отклонения от нормы со знаком минус будут трагедией для человека-копии, которого не выбракуешь, как это делается с сельскохозяйственными животными.

Даже если будет разработан уникальный во всех отношениях метод получения идентичныой копии, проблема клонирования не будет решена. В данном случае следует задуматься над вопросом: повторит ли копия гениальность оригинала. В соответствии с законами двух основных разделов генетики — наследственности и изменчивости — становление любого наследственного признака происходит под воздействием двух факторов — генов и среды. Роль данных факторов не одинакова, поскольку в развитии качественных признаков среда играет менее важную роль, чем при формировании количественных. В последнем случае процент участия среды устанавливается статистически.

Интеллект является особым свойством, и в данном случае статистика и математика не помогут. Поэтому причинно-следственная зависимость уровня интеллекта до сих пор остается предметом дискуссий. Некоторые исследователи придерживаются мнения, что роль наследственности при формировании интеллекта не имеет существенного значения.

В данном случае имеет смысл вспомнить слова великого русского писателя А. П. Чехова, которые он сказал в повести «Степь» устами старика Пантелея: «Ум хорошо, а два лучше. Одному человеку Бог один ум дает, а другому два ума, а иному и три… Один ум, с каким мать родила, другой от учения, а третий от хорошей жизни».

Первый ум, о котором говорил писатель, — наследственные факторы, полностью повторяющиеся в генетической копии. Обучение является двигателем для развития интеллекта, поскольку без него даже самые гениальные задатки останутся нереализованными. Различное влияние среды на оригинал дает основание предположить, что гениальность человека не повторится в копии по причине различных условий жизни оригинала и его копии.

Разумеется, данное предположение можно опровергнуть, ведь известно, что влияние среды, напротив, оказывается положительным. Кроме того, заранее зная направленность одаренности гения, можно создать такие жизненные условия, чтобы они с раннего детства способствовали полной реализации задатков….

Европарламент планирует ввести запрет на эксперименты с полученными из человеческих эмбрионов клетками, несмотря на то, что первые результаты данных экспериментов оказались многообещающими в плане лечения сложных заболеваний. На данный момент подобные эксперименты разрешены только в Великобритании. Что касается других стран Евро-союза, эксперименты с человеческими эмбрионами либо запрещены, либо законодательство в данной области отсутствует.

На основании вышеизложенного, можно надеяться не только на полную неповторимость таланта копии, но даже на некоторую степень превосходства над оригиналом при нужном воспитании. Однако данный прогноз не был оправдан экспериментальными данными ученых.

Проводя исследования на целом ряде резко отличающихся между собой особей клонов, ученые выяснили, что, несмотря на одинаковые генотипы и условия разведения, члены одного клона сильно различаются по ряду признаков (величина, продуктивность, плодовитость). В случаях с клонами это разнообразие больше, чем при работе с генетически разнородными популяциями.

В соответствии с анализом, эта ранее неизвестная изменчивость является следствием ошибок в построении отдельных органов и в итоге всего организма. Копии не всегда соответствуют оригиналу, то есть генотипу. Ошибки в построении органов являются случайными, но их общее число определяется жизнеспособностью организма, которая, в свою очередь, обусловлена качеством наследственности, способом размножения (естественный или искусственный) и условиями обитания. Чем эти факторы лучше, тем меньше вероятность ошибки.

В силу случайности в генетически идентичных организмах может быть найдено различное количество ошибок, и это является источником разнообразия. Данный тип изменчивости ученые называют дефекто-онтогенетической. Она существенна не только в клонируемом потомстве, но и в потомстве, полученном в результате полового размножения.

Если учитывать эту особенность в аналитических и экспериментальных исследованиях, целый ряд явлений может быть более верно истолкован. На данный момент ученые пытаются разобраться в том, насколько велико влияние этой изменчивости на повторяемость родительских свойств в их генетических копиях.

По теории вероятности у большинства родителей и их копий накапливается среднее число ошибок. По этой причине копии, как правило, являются достаточно точным повторением своих оригиналов. В том случае, если у оригинала, от которого был выведен клон, в процессе онтогенеза (развития) возникло относительно большое количество ошибок, депрессированные ими свойства у потомков окажутся лучше, чем у родителя. При этом от тех оригиналов, где наблюдается меньшее количество ошибок, получаются худшие копии….

Как и при вегетативном размножении, так и при клонировании гены не распределяются по потомкам (как это бывает при половом размножении), а сохраняются в исходном составе в течение многих поколений. Все организмы, входящие в состав определенного клона, характеризуются одинаковым набором генов и фенотпически не различаются между собой.

В свою очередь, ошибками будет сопровождаться онтогенез клонированных потомков. Число этих ошибок и степень их пагубности сформируют среди копий разнообразие по тем или иным признакам. Таким образом, отдельные особи в большей или меньшей степени будут отличаться от оригинала. Сложно сказать о максимальной величине данных различий, поскольку еще не установлена степень чувствительности мозга к ошибкам в формировании как его самого, так и организма в целом.

Разумеется, ответ на этот вопрос не может быть получен опытным путем на животных. Однако оптимальным для человека решением проблемы являются сравнительные исследования однояйцевых близнецов. Для этого должны быть привлечены уже имеющиеся данные и заново определена степень интеллектуального сходства с помощью тестов.

В том случае, если разница между близнецами окажется значительной, копии гениальных людей также должны отличаться от своих оригиналов. Следует отметить, что данные исследования целесообразно проводить на близнецах-детях, когда еще не отложились отпечатки различных влияний среды.

Выдающиеся природные задатки обнаруживаются уже у маленьких детей, когда учеба и воспитание еще не успели на них сказаться. Данное утверждение подтверждается многими фактами. Например, практически все выдающиеся шахматисты добивались успеха в данной области еще в пятилетнем возрасте, а повзрослев, только доводили свой талант до совершенства.

Линии на коже на подушечках пальцев и ладоней однояйцевых близнецов одинаковы — неадаптивный признак, а в строении мозга сходство является полным — адаптивный признак. Таким образом, при рождении близнецы равны по интеллектуальным способностям. Так, не используя запрещенные эксперименты на человеке, можно получить ответ о возможности воспроизводства его в виде клонов.

Следует отметить, что пока нет опытов по клонированию млекопитающих мужского пола. Для этого подходит только хирургический метод. Для получения мужских копий необходимо подобрать ткань, ядра клеток которой, будучи пересаженными в яйцеклетку, развились бы в организм.

Можно предположить, что, если на пути клонирования не возникнет сложностей биологического характера, то проблема будет заключаться в возражениях этического и юридического характера. Однако не так давно такие же возражения высказывались против искусственного осеменения. В некоторых странах оно и сейчас запрещено, в то время как в других уже изменило жизнь множества бесплодных людей.

По своей сути и принципам клонирование мало чем отличается от искусственного осеменения. Однояйцевые близнецы являются прототипом будущих генетических копий человека с той лишь разницей, что близнецы появляются на свет один за другим, а копии — через 20 лет после оригинала.