Реферат: Клонирование животных: теория и практика

В.А. Струнников

На протяжении многих тысячелетий разведения животных воображение человека, видимо, не раз поражали редко возникающие, исключительные, выдающиеся по хозяйственной ценности, животные - быстроходные лошади, коровы с высокими удоями, овцы с большим настригом шерсти и хорошие куры-несушки. Вероятно, человеку не однажды приходила в голову смелая мысль сделать таких удивительных животных "бессмертными" путем воспроизводства их в следующих поколениях в виде совершенно идентичных копий. В действительности же рекордисты заканчивали свой жизненный путь, оставив после себя потомство, каждый член которого никогда не был полностью идентичен ни одному из своих родителей, точно так же, как и его самого не повторял ни один из потомков следующих поколений.

Воспроизводство организмов, полностью повторяющих уникальную по продуктивности 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 его незрелая яйцеклетка, имеющая двойной, или диплоидный, набор хромосом - носителей наследственной информации - делится дважды, и в результате возникают четыре гаплоидные (т.е. с одинарным набором хромосом) клетки. Три из них дегенерируют, а четвертая - с большим запасом питательных веществ - становится собственно яйцеклеткой. У многих животных она в силу гаплоидности не может развиваться в новый организм. Для этого необходимо оплодотворение - слияние ее с гаплоидным сперматозоидом. Вполне понятно, что организм, развившийся из оплодотворенной клетки, приобретает признаки, которые определяются взаимодействием материнской и отцовской наследственности. Следовательно, при половом размножении мать не может быть повторена в потомстве.

Как же, вопреки этой строгой закономерности, заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически решение этой трудной биологической проблемы осуществимо двумя способами: хирургическим и "терапевтическим", если использовать медицинскую терминологию.

Клонирование шелкопряда: от первых шагов до практического использования

Хронологически второй метод изобретен намного раньше и, нужно отдать должное, - русскими учеными. Сто лет назад 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 погибали еще до вылупления личинок из яиц. Но это уже была прелюдия к клонированию животных.

Б.Л.Астауров в 30-е годы в результате длительных исследований, получивших мировую известность и ставших классическими, подобрал термическое воздействие, которое одновременно активировало неоплодотворенное яйцо к развитию и блокировало стадию мейоза, т.е. 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 прямой зависимости от жизнеспособности матери. Поэтому у "чистых" пород вылупление гусениц не превышало нескольких процентов, в то время как у значительно более жизнеспособных межрасовых гибридов оно достигало 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 сильно различались по массе. Позже Борис Львович 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 мы установили причины партеногенетического угнетения (депрессии) и сложными методами, которые позволяют накапливать "гены партеногенеза", вывели новые высоко жизнеспособные клоны самок, а позже и партеногенетических самцов. (Заметим, что депрессия у тутового шелкопряда несравнимо меньше, чем у млекопитающих животных. У них яйцеклетка с диплоидным ядром, образованным в результате слияния двух женских гаплоидных ядер или двух мужских, вообще не развивается в организм.) Скрещивая таких самцов со своими клонированными "матерями" или склонными к партеногенезу самками других клонов, мы получили потомство с еще большей склонностью к партеногенезу. От лучших в этом отношении самок закладывали новые клоны.

В результате многолетнего отбора нам удалось накопить в генотипе селектируемых клонов невиданно большое число генов, обусловливающих высокие склонность к партеногенезу и жизнеспособность. Вылупление гусениц достигло 90%, а их жизнеспособность, как ни удивительно, повысилась до 95 - 100%, опередив в этом отношении обычные породы и даже гибриды. В дальнейшем мы "скрестили" с помощью партеногенетических самцов два генетически резко отличающихся клона разных рас и от лучших гибридных самок вывели сверхжизнеспособные клоны.

Как ни велико научное значение этих результатов, для практики полученные клоны все же не пригодны. Дело в том, что самки шелкопряда съедают на 20% больше листа шелковицы, а их коконы содержат шелка на 20% меньше. Экономически выгодно было бы промышленное разведение только самцов. А нельзя ли клонировать особей мужского пола? Это важно не только в шелководстве, но и в ряде других отраслей животноводства. Проблема трудная, однако все же в перспективе выполнимая.

Как известно, животный мир разделен на две группы: у одной группы женский пол определяется наличием в генотипе двух одинаковых половых хромосом (ХХ), а мужской - разных (ХY). У другой группы, наоборот, самки имеют хромосомную формулу ХY, а самцы - ХХ. К первой группе относятся человек, сельскохозяйственные животные и ряд других менее высокоорганизованных животных, например знаменитая мушка дрозофила. Ко второй группе принадлежат некоторые виды бабочек, в том числе и тутовый шелкопряд. Совершенно очевидно, что из неоплодотворенных яиц сельскохозяйственных животных никак нельзя "выкроить" самца, поскольку в женском ядре нет Y-хромосомы. Следовательно, клонирование самца может быть произведено только путем пересадки его диплоидного ядра, взятого из пригодной для этой цели ткани тела, в безъядерную яйцеклетку. Вероятно, со временем это будет сделано.

Но мы научились клонировать самцов тутового шелкопряда. Это стало возможно после того, как нам удалось получить уникальных 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, удвоившись, приступало к развитию мужского зародыша, который, естественно, повторял генотип отца. Таким способом мы ведем мужские клоны в десятках поколений. Позже один из таких клонов был преобразован в обоеполую линию, также состоящую из генетически идентичных (за исключенем, конечно, половых хромосом) теперь уже самок и самцов. Поскольку положивший начало этой линии полностью гомозиготный самец возник в результате размножения, приравненного к самооплодотворению, то сам он и линия двойников обоего пола имеют пониженную жизнеспособность. Скрещивая между собой две такие линии, мы стали без труда получать гибридных и, следовательно, высоко жизнеспособных двойников в неограниченных количествах. Это совершенно несопоставимо с трудоемкими методами такого же назначения у других животных - число их двойников пока исчисляется единицами. Полученные нами двойники незаменимы для самых тонких исследований, результаты которых не вуалируются генетическим разнообразием подопытных шелкопрядов, как это происходит с обычным гетерогенным материалом. Эти исследования теперь выполняются с достаточной достоверностью на гораздо меньшем числе шелкопрядов, чем обычно.

Подведем итоги клонирования шелкопряда: полученные клоны самок и самцов для практического шелководства не пригодны. Но это не крах радужных надежд. Такой исход можно было предвидеть. Мы заранее предположили, что целесообразно использовать клоны не непосредственно в шелководческой практике, а на племя - для получения выдающегося по продуктивности потомства при обычном половом размножении. Примерная схема использования клонов в промышленном шелководстве 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 партеногенетические клоны, которые повторяют высокую продуктивность матерей и проявляют высокую склонность к партеногенезу. За этим следует скрещивание с определенными клонированными самцами и из полученного гибридного поколения выбирают для производства только те клоны, которые дали прекрасное во всех отношениях потомство. Его высокие качества обусловлены не только предшествующей селекцией, а еще и тем, что в процессе отбора особей на высокую склонность к партеногенезу в их генотипе образуется комплекс генов жизнеспособности, компенсирующий вредное влияние искусственного размножения. При переводе клонов на половое размножение этот комплекс, оказавшись несбалансированным, сильно повышает гетерозис.

Итак, для промышленного скрещивания с партеногенетическими самками мы взяли самцов нашей уникальной линии и получили в потомстве только один, намного более продуктивный мужской пол. Эта наша схема нового типа разведения шелкопряда увенчалась тремя впервые полученными достижениями экспериментальной биологии:

использованием генетических копий,

массовым получением желаемого пола,

резким повышением гетерозиса.

Здесь следует добавить, что вовлечением женских партеноклонов в промышленное шелководство полностью снимаются колоссальные трудности выведения урожайных гибридов 100%-й чистоты, так как совсем исключается трудоемкое и неточное разделение по коконам племенных самок и самцов для межпородного скрещивания. Мы имеем многие сотни тысяч генетических копий матери, отца, сестер и братьев, и первые из них уже доведены до промышленного использования.

Наша схема прошла государственные испытания в ряде стран с высоким уровнем развития шелководства и рекомендована для практики, так как позволяет увеличить выход шелка-сырца не менее чем на 30%. Заметим также, что наш метод повышения гетерозиса эффективен не только в отношении животных, но и растений. Например, с помощью этого метода селекционер В.Д.Наволоцкий вывел новый сорт ячменя, который теперь выращивается на площади 5.5 млн га.

Изложенное демонстрирует, насколько эффективно оказалось клонирование, по крайней мере в шелководстве. Несомненно, что необходимо разрабатывать совершенные методы клонирования и других сельскохозяйственных животных. Изощренный ум человека преодолеет препятствия, если они ему встретятся в процессе исследований, как это было с тутовым шелкопрядом.

Быть может, предложенную выше схему использования не самих клонированных животных, а их потомства в будущем было бы целесообразно применить с некоторыми модификациями к крупным сельскохозяйственным животным. Как известно, сперма многих племенных быков уже заморожена на долгие годы, т.е. они как бы стали "бессмертными". Если осеменение этой спермой коров дает прекрасное потомство, то, чтобы воспроизводить его в ряду поколений, необходимо клонировать только коров. Если их генетические копии будут несколько неполноценными, то при хороших условиях содержания животных и использовании их для гибридизации, это не будет иметь существенного значения. Преимущества такой технологии клонирования очевидны.

Лягушка, мышь, овца... Человек?

"Тиражировать" млекопитающих можно, как упоминалось, другим - хирургическим - способом. Он основан на замене гаплоидного ядра яйцеклетки на диплоидное ядро, взятое из клеток эмбрионов. Эти клетки еще не дифференцированы (т.е. не началась закладка органов), и поэтому их ядра без осложнений заменяют функцию диплоидного ядра только что оплодотворенной яйцеклетки. Таким методом в США (1952) У.Р.Бриггс и Т.Дж.Кинг, в Англии (1960) Д.Б.Гордон получили генетические копии лягушки, а швейцарский ученый К.Ильмензее - генетических двойников мыши.

И, наконец, в уходящем веке - триумф науки: шотландец И.Уилмут получает хирургическим путем знаменитую овцу Долли - генетическую копию матери. Для этого из клеток ее вымени было взято ядро для пересадки в яйцеклетку другой овцы. Успеху способствовало то, что взамен инъецирования нового ядра применялись воздействия, приводящие к слиянию лишенной ядра яйцеклетки с обычной неполовой клеткой. После этого яйцеклетка с замененным ядром развивалась как оплодотворенная. Насколько совершенен метод клонирования и каковы перспективы его улучшения, судить по одной овце пока рано. Несколько настораживают сообщения о неблагополучии с ее печенью и ранней гибели ее сестер. Очень важно, что этот метод позволяет взять ядро клонируемой особи в зрелом возрасте, когда уже известны важные для человека хозяйственные признаки.

Таким образом, проблема клонирования приблизилась вплотную к человеку. Это взбудоражило общественность, вызвало острые дискуссии о правомочности столь радикального вмешательства в природу человека, позволительного-де лишь одному Богу. Конечно, для решения проблемы клонирования человека надо будет пройти долгий и трудный путь; он чреват рядом биологических, вероятно, нелегко преодолимых барьеров - достаточно вспомнить наши ухищрения в получении клонов тутового шелкопряда. И все же идея клонировать выдающихся гениев человечества представляется нам не менее заманчивой, чем клонирование сельскохозяйственных животных. Не нужно отметать ее с порога. Здесь автор должен покаяться, поскольку 15 лет назад высказывал противоположное мнение. Полученные за это время результаты обширных работ на тутовом шелкопряде, тщательное изучение литературных сведений об однояйцевых близнецах и собственные наблюдения за ними заставили переменить точку зрения на клонирование человека.

Человечество уже давно не подвергается ни естественному, ни искусственному отбору. Последний не возможен по целому ряду этических и чисто биологических причин. Несомненно, искусственный отбор на интеллект привел бы к поразительным успехам. Но нет гарантии, что сверхинтеллектуальные индивидуумы не будут ущербны в каком-либо другом отношении, как это часто случается в селекции животных: переразвитие какого-либо одного хозяйственного признака снижает другие жизненно важные качества, например жизнеспособность. Поэтому человечеству нужно воспользоваться величайшими дарами природы - появлением ни в чем не ущербных гениев в результате редчайшего сочетания в их генотипе необходимых для этого генов. Воспроизводство их в виде генетических копий станет в ряду величайших достижений науки.

Разработка методов клонирования на человеке, конечно, должна быть запрещена до тех пор, пока на приматах не будет однозначно доказано, что хирургический метод клонирования не отражается на здоровье генетической копии. Ведь любые отрицательные отклонения в организме - это трагедия неудавшейся копии, которую не выбракуешь, как поступают с сельскохозяйственными животными.

Допустим, безупречный метод будет разработан, однако только этим проблемы клонирования не решатся. Останется без ответа не менее серьезный вопрос: а повторят ли точно копии гениальность оригиналов? Согласно закономерностям двух основных разделов генетики - наследственности и изменчивости, - становление любого признака происходит в результате взаимодействия генов и среды. Роль этих факторов не одинакова: в развитии качественных признаков влияние среды сказывается существенно меньше, чем в формировании количественных. В последнем случае доля участия среды устанавливается статистически.

Интеллект - особое свойство, тут математика не поможет, поэтому причинная зависимость уровня интеллекта была и по-прежнему остается предметом дискуссий. Подчас высказываются абсурдные суждения, мол роль наследственности в формировании интеллекта чуть ли не сводится к нулю. Удивительно, что еще до рождения генетики А.П.Чехов в очаровательной повести "Степь" устами старика Пантелея дал поразительно верную трактовку факторов, составляющих интеллект: "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 - наследственность - полностью повторяется в генетической копии. Роль обучения неоспорима, без него гениальные задатки остались бы невостребованными. А вот различное влияние среды (хорошей жизни) на оригинал и копию дает повод противникам клонирования человека утверждать, что гениальность не повторится в копии из-за разных условий жизни оригинала и копии. Но это не серьезно. Влияние факторов среды на интеллект, наоборот, только полезно, потому что, зная направленность дарования гения, можно организовать условия жизни так, чтобы они с раннего детства способствовали развитию именно этого дарования.

Изложенное, казалось бы, позволяет надеяться не только на полную повторимость гениальности у копий, но даже на некоторое их превосходство над оригиналом при правильном воспитании. Но этот прогноз поколебали наши экспериментальные данные. Хотя они и сложны для понимания, но опускать их было бы неоправданным.

Работая с целым рядом резко различающихся между собой клонов, нам удалось выявить, что, несмотря на одинаковые генотипы и условия разведения, члены одного клона оказываются весьма разнообразными по целому ряду признаков: величине, продуктивности и плодовитости. В некоторых клонах это разнообразие бывает большим, чем в генетически разнородных популяциях. Судя по анализу, эта ранее не известная изменчивость есть следствие ошибок в построении отдельных органов и в итоге - всего организма. "Биологические изделия" не всегда соответствуют "чертежам", т.е. генотипу. Ошибки в построении органов случайны, но общее их число зависит от жизнеспособности организма, в свою очередь обусловленной качеством наследственности, способом размножения (естественным, искусственным) и условиями обитания. Чем они лучше, тем меньше ошибок. В силу случайности в генетически идентичных организмах возникает разное число ошибок, и это служит источником разнообразия. Такую изменчивость мы назвали дефекто-онтогенетической. Она существенна не только в клональном потомстве, но и в обычном, полученном половым путем. Если учитывать ее в аналитических и экспериментальных исследованиях, то целый ряд явлений может получить более верное толкование. Но сейчас нам важно понять, сколь велико влияние этой изменчивости на повторяемость родительских свойств в их генетических копиях.

Согласно теории вероятности, у большинства родителей и их копий накапливается некоторое среднее число ошибок. Поэтому копии чаще всего достаточно точно повторяют своих оригиналов. Если же у основателя клона в течение развития (т.е. онтогенеза) возникло относительно много ошибок, то депрессированные ими свойства у потомков окажутся в среднем лучше, чем у родителя, и наоборот, у "малоошибочных" родителей копии будут в среднем хуже. В свою очередь онтогенез клональных потомков также будет сопровождаться ошибками, число которых и степень их вредности сформирует среди копий разнообразие. Следовательно, отдельные особи в большей или меньшей мере отдалятся от оригинала. Насколько может быть велик этот разрыв, сейчас трудно сказать - мы еще не знаем, сколь "чувствителен" мозг к ошибкам в формировании как его самого, так и всего организма.

Ответ на этот вопрос опыты на животных не дадут. Однако совершенно безболезненно для человека проблема решается в сравнительных исследованиях однояйцевых близнецов, для чего можно привлечь уже имеющиеся данные, а лучше заново определить степень интеллектуального сходства с помощью изощренных тестов. Если между близнецами оно окажется большим, то копии гениев тоже не должны будут сильно отличаться от оригиналов. Дополним, что подобные исследования нужно проводить на близнецах-детях, когда еще не отложились отпечатки разного влияния среды. Выдающийся природный ум обнаруживается уже у маленьких детей, когда воспитание и учеба не сказались на нем. Это подтверждается огромным количеством фактов. Например, почти все выдающиеся шахматисты великолепно играли в 4 - 5-летнем возрасте, впоследствии они только доводили свое искусство до совершенства. Как известно, кожные узоры на подушечках пальцев и линии ладоней у однояйцевых близнецов одинаковы (не адаптивные признаки), а в строении мозга (адаптивный признак) и вовсе будет полнейшее сходство. Следовательно, на старте, по природному уму, близнецы равны.

Итак, совершенно не прибегая к драконовским экспериментам на человеке, можно получить ответ на вопрос о возможности воспроизводства в клонах его выдающихся способностей.

Подчеркнем еще раз: пока нет опытов по клонированию млекопитающих мужского пола. Для этого в принципе пригоден только хирургический метод. Чтобы получать мужские копии, сначала нужно подобрать ткань, ядра клеток которой, как ядра клеток вымени овцы, будучи пересаженными в яйцеклетку, развивались бы в организм.

Если на пути клонирования человека не возникнут биологические преграды, то проблема будет упираться в возражения этического, юридического и криминального характера. Но совсем недавно с таким же ожесточением возражали против искусственного осеменения. В ряде стран оно и сейчас запрещено, в то время как в других уже принесло счастье огромному числу бесплодных людей. Клонирование по своей природе или принципам технологии мало чем отличается от искусственного осеменения. Однояйцевые близнецы - точный прототип будущих генетических копий человека, разве что первые появляются на свет один за другим, а копии - примерно через 20 лет после оригинала.

В печати настойчиво высказывались опасения, что диктаторы-злодеи, пользуясь своей властью, смогут тиражировать себе подобных. Если удалось запретить применение ядерного и химического оружия, то почему этого нельзя сделать и в отношении клонирования? Нужно лишь образовать международную комиссию, которая с величайшей ответственностью выбирала бы кандидатуры для клонирования. Вероятно, центр по клонированию должен быть на весь мир один, а получение копий ни в коем случае не должно стать массовым.

Истинных гениев не так уж и много, но их величайший интеллект принес бы человечеству небывало мощный прогресс в науке, искусстве и организационной деятельности.