Проблема клонирования

Клонирование животных: применение и перспективы. Клонирование в животноводстве Учитывая трудности в клонировании животных, говорить о широком практическом применении клонов в животноводстве рано. Однако перспективы у этого направления есть. Клонирование ценных трансгенных животных может быстро и экономично обеспечить человечество новыми лекарственными препаратами, содержащимися в молоке, специально полученных для этого генноинженерными методами овец, коз или коров. Появилось сообщение, что ученым из шотландской фирмы PPL Therapeutics, того самого, где была клонирована Долли, удалось получить успешные клоны овечек с измененной ДНК.  Был внедрен ген, который добавляет в молоко овец фермент, используемый в современной фармакологии для лечения наследственной эмфиземы легких.Клонирование высокопродуктивных домашних животных, в частности, молочных коров, может произвести буквально революцию в сельском хозяйстве, так как только этим методом можно создать не отдельные экземпляры, а целые стада элитных коров рекордисток. Это же относится к размножению выдающихся спортивных лошадей, ценных пушных зверей, сохранению редких и исчезающих животных в природных популяциях и т.д. Беспрецедентный по своему масштабу эксперимент по массовому клонированию крупного рогатого скота недавно начался в Китае. Как сообщает местная печать, в Синьцзян-Уйгурском автономном районе на северо-западе страны в этом году ожидается появление от 20 до 50 клонированных телят. Проект ведется компанией «Цзиньню» и является крупнейшим в своем роде в мире. В нем также участвуют Австралия, Канада, США и Великобритания и ряд других стран. Китайские ученые полагают, что клонирование станет важным шагом в развитии животноводства и улучшении племенной работы.Внедрение в практику методов межвидового переноса ядер может открыть невиданные перспективы для спасения находящихся на грани исчезновения видов животных. Как было показано в работе Т. Доминко и соавт. в 1999 г., энуклеированные ооциты крупного рогатого скота после электрослияния с ядрами кожных фибробластов быков (Bos taurus), овец (Ovis aries), свиней (Sus scrofa), обезьян (Macaca fascicularis) и крыс (Rattus rattus) могут поддерживать развитие эмбрионов до ранних стадий (в некоторых случаях до стадий бластоцисты). В других исследованиях было зафиксировано, что энуклеированные яйцеклетки крупного рогатого скота обеспечивают реализацию генетического материала донорских ядер из соматических клеток человека даже до более продвинутых эмбриональных стадий. Это является свидетельством того, что даже перенос ядер в ооциты далеких в эволюционном отношении видов обеспечивает их частичное репрограммирование. А может ли быть так, что трансплантация ядер в энуклеированные яйцеклетки близких видов приведет к получению полноценного здорового потомства? В конце 2000 - начале 2001 г. весь научный мир следил за попыткой исследователей из американской фирмы «АСТ» клонировать вымирающий вид буйволов Bos gaurus (гяур), который распространен на территории Индии и Юго-Западной Азии. Соматические клетки-доноры ядер (кожные фибробласты) были получены в результате биопсии post mortem от быка в возрасте 5 лет и после двух пассажей в культуре длительное время (8 лет) хранились в криоконсервированном состоянии в жидком азоте. Всего было получено четыре беременности. Чтобы подтвердить генетическое происхождение плодов, два из них были выборочно изъяты. Цитогенетический анализ подтвердил наличие в клетках характерного для гяуров нормального кариотипа, однако выяснилось, что вся митохондриальная ДНК происходит от коров-доноров яйцеклеток (Bos taurus). Как известно, митохондрии являются «энергетическими станциями» клеток, именно в них происходит синтез АТФ, соединения с гиперергическими связями, при разрушении которых выделяется большое количество энергии, используемой в процессах жизнеобеспечения клетки. Активность митохондрий регулируется как собственным генетическим аппаратом - генами, закодированными в митохондриальной ДНК, так и генами, локализованными в ядре клетки. Общее количество митохондриальной ДНК (мДНК) в соматической клетке насчитывает 20 000-30 000 молекул в отличие от яйцеклетки млекопитающего, в которой содержится около 100 000 молекул мДНК. Такое явление, когда в цитоплазме клетки находится более одного типа мДНК, называется митохондриальной гетероплазмией. Митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии вместе с цитоплазмой ооцита, поэтому получаемые в результате клонирования животные не являются стопроцентными клонами, потому что несут митохондрии донора ядер и индивидуумов-доноров реципиентных энуклеированных яйцеклеток, и обладают, таким образом, митохондриальной гетероплазмией. Взаимодействие между ядерной ДНК и чужеродной мДНК требует дальнейшего изучения. Весьма вероятно, что митохондриальная гетероплазмия может приводить к дисбалансу в энергетическом обмене клетки и служить причиной серьезных нарушений. К сожалению, в опыте американских ученых одна из беременностей прервалась на 200-дневном сроке, а в результате другой родился теленок, который умер спустя 48 ч. Представителями фирмы было заявлено, что это произошло «по причине инфекционного клостридиозного энтерита, не имеющего отношения к клонированию». Предпринимаются и др попытки клонирования с целью спасения исчезающих видов. Так, 11 коров с фермы в штате Айова уже вынашивают клоны младенцев бантенгов – исчезающую разновидность диких азиатских быков. Китайские ученые из Института зоологических исследований, намеренных клонировать исчезающих вид гигантских панд. Их индийские коллеги собираются аналогичным способом восстановить популяцию гепардов, окончательно истребленных охотниками в первой половине прошлого века, еще во времена правления Британской империи. Донорами яйцеклеток для клонированных животных станут гепарды из соседнего Ирана, принадлежащие к тому же виду, что и звери, прежде обитавшие на полуострове Индостан, а суррогатными матерями, в которых будут развиваться пересаженные яйцеклетки – самки индийского леопарда.

Терапевтическое клонирование

Новейшие технологии в  области клонирования и создания эмбриональных стволовых клеток открывают огромные возможности  для лечения многих заболеваний, связанных с дегенерацией определенных типов клеток, потерей функций  тканей и целых органов. Около 16 млн. человек во всем мире страдают нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, свыше 120 млн. - диабетом и миллионы - артритами, СПИДом, инфарктами и другими заболеваниями, которые могут быть излечены с помощью применения клеточных трансплантатов.По самым скромным подсчетам десятки наиболее распространенных заболеваний могут быть вылечены с внедрением клеточной терапии. Методы терапевтического клонирования позволяют избежать иммунного отторжения трансплантатов, поскольку ЭС клетки несут генетическую информацию донора ядер. Низкая эффективность трансплантации ядер не важна для осуществления клеточной терапии, так как для получения линии ЭС клеток достаточно всего одного или нескольких предимплантационных эмбрионов. Кроме того, сейчас рассматривается вопрос об использовании в качестве цитопластов энуклеированных яйцеклеток животных, например, крупного рогатого скота, которые поддерживают реализацию генетического материала ядра человеческой соматической клетки до стадии 5-дневного эмбриона. Одной из перспективных сфер применения клонирования может оказаться ксенотрансплантация, то есть межвидовая трансплантация тканей и органов. Некоторыми компаниями ведется работа по созданию линии свиней с инактивированным геном альфа-1,3-галактозилтрансферазы. Этот ген кодирует фермент, участвующий в синтезе поверхностных антигенов клеток свиней, которые обусловливают немедленное отторжение трансплантатов у приматов. Технология клонирования с использованием генетически модифицированных культур клеток в качестве доноров ядер значительно упростит процесс создания такой линии.Важный результат получен американскими учеными, которым удалось разработать метод выращивания новых костей в позвоночнике крыс. В проведенных экспериментах ученые работали со стволовыми клетками. Они модифицировали их так, что стволовые клетки костного мозга стали экспрессировать белок ВМР-9, который способствует росту новых костей. Затем модифицированные клетки были инъецированы в одну сторону позвоночника крыс, в то время как в другую ученые инъецировали стволовые клетки, содержащие инактивированный ген. Через 8 недель после начала эксперимента был зафиксирован рост костей лишь на той стороне спины, которая содержала модифицированные стволовые клетки. При этом вновь образованные кости выглядели абсолютно нормально.Эта методика пока не была опробована на людях, однако исследователи полагают, что этот метод генной терапии, который включает в себя этап работы с клетками вне организма, является многообещающим для лечения заболеваний костей, а также показателем перспективности терапевтического клонирования вообще.Не менее интересные результаты получили российские ученые. Им удалось клонировать из стволовых клеток человека кардиомиоциты.

Герматологическое клонированиеНа определённой стадии развития эмбрион состоит из абсолютно одинаковых стволовых клеток. Позже они станут дифференцированными и будут отвечать за развитие разных органов. После рождения стволовые клетки продолжают оставаться в организме обеспечивая обновление стареющих клеток, но с возрастом они по тем или иным причинам кончаются или погибают. Клетки перестают обновляться, что крайне пагубно влияет на здоровье человека и предположительно является причиной старения организма.Если бы стволовые клетки не погибали, возможно (это следует подчеркнуть) организм не был бы подвержен старению вообще или этот процесс проходил бы не так быстро. Герматологическое клонирование направлено на восполнение потерянных стволовых клеток, наличие которых должно оттянуть смерть пациента на как можно более долгий срок. Также оно может быть использовано для восстановления поврежденных органов.Сам процесс выглядит следующим образом: из любой клетки пациента извлекается ядро, которое затем помещается в яйцеклетку. Начинается развитие. По истечении четырёх суток зародыш представляет из себя крошечный пузырёк (бластоциста) заполненный стволовыми плюрипотентными (недифференцированными) клетками. Когда, по мере развития стволовые клетки стали мультипотентными (дифференцированными) и их количество достаточно велико, их можно извлечь и ввести пациенту.Самое трудное, что нужно сделать - это подтолкнуть плюрипотентные клетки к развитию в нужном направлении. Важные результаты в этой области были получены в США. Согласно предварительным результатам, американские учёные находятся на заключительном этапе разработки технологии, которая позволит восстанавливать поврежденные возрастом или болезнью органы с помощью клонированных клеток этого же организма. Исследователи компании Advanced Cell Technology (штат Массачусетс, США) клонировали клетки покровных тканей двух коров, после чего стволовые клетки крови, полученные из клонированных эмбрионов, имплантировались исходным животным. При этом иммунная система одной из коров подавлялась иммунодепрессантами. Согласно полученным результатам, колонии кровяных клеток, произошедших из клонов, проявляли удивительные заместительные способности: в частности, даже у животного с нормально функционировавшей иммунной системой, они вскоре составляли до 50% всей клеточной популяции. Механизм «омоложения» клеток не изучен. Выдвигаются версии относительно того, что данное явление связано с изменением состояния концевых участков хромосом, так называемых теломеров. В случае, если новая методика зарекомендует себя как эффективная и безопасная, ее можно будет использовать для заместительной терапии больных лейкемией, а также автоиммунными заболеваниями, в частности, артритом. Кроме того, отмечается, что клонированные стволовые клетки крови могут способствовать восстановлению широкого круга других органов. Вероятно, такие регенеративные свойства связаны с тем, что «омоложенные» кровяные клетки более интенсивно уничтожают старые и дефектные клетки и структуры органов, тем самым способствуя их обновлению. Однако до того как описанная методика сможет быть применена в клинике, следует провести ещё большой объем исследований. В частности, сейчас необходимо выяснить, не могут ли клонированные клетки приобретать злокачественные свойства. Следует также отметить, что в случае с коровами, использовавшимися в опытах массачусетскими исследователями, стволовые клетки извлекались из 100-дневных эмбрионов, что ни в коем случае не допустимо в отношении человека. Сейчас учёные решают вопрос получения стволовых клеток на максимально ранних этапах развития зародыша.

Трудности клонированияНесмотря на массовый ажиотаж по поводу достижений в области клонирования и многочисленные спекуляции в прессе и на телевидении в недавнем прошлом, принимая во внимание последние открытия в этой области, возникает больше вопросов, чем ответов на них; в настоящее время сама возможность получения стабильных клонов ставится под сомнение. Эпигенетическая модификация генома обеспечивает активацию определенных генов в разные периоды развития и включает метилирование ДНК, специфическое соединение гистонов в нуклеосомы и ремоделирование других хроматинассоциированных протеинов. Оба родительских генома формируются в течение гаметогенеза таким образом, чтобы соответствовать цитоплазматическому составу яйцеклетки и направлять развитие всего организма. Чтобы успешно реализовать генетическую информацию, ядро соматической клетки после трансплантации должно быстро репрограммироваться для экспрессии генов, включаемых на ранних этапах развития. В 80-х годах Д. Солтер и другие исследователи установили, что отцовский и материнский геномы функционально неидентичны и оба необходимы для нормального развития. Такое явление называется геномным импринтингом; оно заключается в том, что из двух аллелей одного гена в гомологичных хромосомах после оплодотворения может быть функционально активным только отцовский или только материнский. Нормальное развитие требует правильной экспрессии импринтированных генов. У клонированных животных из-за неполного репрограммирования ядра соматической клетки и нарушения экспрессии импринтированных генов возникает эпигенетическая нестабильность генома. Несоответствующий данному гену уровень метилирования изменяет его активность и может приводить к его полной инактивации или наоборот - к его активированию. Большинство процессов в организме находятся под двойным, тройным и т. д. контролем со стороны генетического аппарата клетки, благодаря этому в результате трансплантации ядер относительно часто рождается и вырастает полноценный молодняк. Исследователям не удалось идентифицировать гены, нарушение регуляции которых приводило бы к часто встречающейся патологии плаценты и аномальному весу у клонированных мышей. Возможно, что это результат кумулятивного воздействия многих неправильно экспрессирующихся генов. Выдвигается гипотеза, что развитие млекопитающих скорее толерантно к эпигенетической нестабильности и летальный эффект проявляется только при потерях нормальной регуляции во множественных локусах. Внешне здоровые клонированные животные могут иметь различные физиологические нарушения, которые трудно обнаружить. До сих пор неизвестно, почему не удается размножить последовательным клонированием мышей далее 6-го поколения. Это может быть связано с накоплением в поколениях мутаций в соматических клетках или с укорочением в каждом раунде репликации концевых участков хромосом – теломер. Процесс репликации ДНК (т. е. удвоения ДНК) при делении клеток происходит таким образом, что теломеры в течение жизни человека или животного укорачиваются. Существует фермент теломераза, который достраивает концевые участки хромосом, однако высокой теломеразной активностью обладают только тотипотентные клетки на ранних стадиях эмбрионального развития в период повышенного количества митозов и герминальные, которые дают начало гаметам. Теломераза усиленно синтезируется также в опухолевых клетках, характеризующихся способностью к неограниченному делению. С укорочением концевых участков хромосом связывают в настоящее время процессы старения организма человека: когда теломеры достигают определенной длины, дальнейшее деление клеток становится невозможным, и ткани утрачивают свою регенерационную и функциональную активность. Так как при трансплантации ядер донором служат соматические клетки, не экспрессирующие теломеразу, для установления генетического возраста клонального животного определяется статус теломер в его клетках. Именно таким образом было показано, что первая клонированная из соматических клеток овца Долли генетически старше своих ровесников. Укорочение теломер у клонов в дальнейшем не подтвердилось в опытах на крупном рогатом скоте. Как оказалось, теломеразная активность заново возникает в клонированных эмбрионах и происходит восстановление концов хромосом до нормальной длины. Клонирование млекопитающих – это одна из захватывающих проблем современной биологии, однако попытки создания клонов нельзя назвать успешными - большая часть реконструированных зародышей не развивается далее ранних эмбриональных стадий, из родившихся около половины не достигают взрослого состояния, и нет уверенности в том, что взрослые клоны - абсолютно здоровые животные. Изучение фундаментальных основ генной экспрессии и генетического контроля развития поможет объяснить причины затруднений, с которыми сталкивается новое направление. Технология клонирования уже внесла огромный вклад в наше понимание ранних процессов развития, взаимодействия родительских геномов, репрограммирования ядер и геномного импринтинга. Было бы близорукостью отвергнуть метод трансплантации ядер, пока мы в точности не узнаем все возможные перспективы его использования.

Клонирование человека: этические проблемы. Принципиальная возможность клонирования человека вызвала бурное обсуждение во всем мире. С одной стороны появились горячие поклонники клонирования (вплоть до создания религиозных сект), видящие в нем возможность улучшения человеческой природы, достижения бессмертия или по крайней мере радикальный метод борьбы с болезнями. С другой стороны, еще более многочисленны голоса решительных противников всяких попыток клонирования человека. Традиционно консервативную позицию, занимают, в частности, представители ведущих религий.Во многом, споры вокруг проблемы связаны с распространенной в обществе генетической безграмотностью. Опросы, проведенные в США, показали, что значительное число американцев боится создания «армий клонов», «выведения суперрасы». Есть люди, которые искренне считают, что с помощью клонирования можно в буквальном смысле возродить умерших людей и т.д. Но даже если оставить в стороне явные заблуждения, а также апелляции к религиозным чувствам, которые разделяют далеко не все, все равно остаются реальные этические проблемы.Репродуктивное клонирование вызывает следующие возражения:Крайне низкая результативность клонирования, высокая летальность среди клонов делают попытки клонирования человека этически неприемлемыми вплоть до усовершенствования методики до приемлемого уровня безопасности для клона.Неизвестно, как будет влиять на развитие человека и структуру общества новый тип семейных отношений, который может сложиться в связи с распространением клонирования.Предполагают, что клоны будут испытывать проблемы со становлением личностного самосознания, с интеграцией в человеческое общество.

Клонирование ограничивает генетическое разнообразие человека.Терапевтическое клонирование вызывает вопросы в связи с технологией его проведения. В настоящее время реально осуществима только технология клонирования, предполагающая выращивание клона до определенного предела in vivo. Естественно, к человеку это не применимо – женщина не может рассматриваться как инкубатор терапевтического материала. Эта проблема решается разработкой оборудования для выращивания зародыша in vitro. Однако, остается проблема «убийства» зародыша. С каких пор зародыш становится человеком? Существует мнение, что новый человек возникает в момент зачатия (в случае клона – в момент пересадки ядра). В этом случае использование зародыша для выращивания трансплантатов недопустимо. На это возражают, что до определенного периода зародыш представляет лишь скопище клеток, но никак не человеческую личность. Для преодоления этой проблемы ученые пытаются начать работу с зародышем как можно раньше.Констатируем, что отношение общества к репродуктивному клонированию в целом отрицательное. Во всех странах, где уже разработано законодательство по клонированию, репродуктивное клонирование запрещено. Однако, остается немало государств, не регулирующие вопросы клонирования, чем и пользуются научные авантюристы, пытающиеся (или делающие вид, что пытаются) клонировать человека.К терапевтическому клонированию отношение более мягкое, что, видимо, вызвано его большей ценностью. Если трудно представить практическое применение репродуктивного клонирования (разве, что случаи бесплодия с невозможностью искусственного оплодотворении), то значение терапевтического клонирования несомненно. Так, в Великобритании терапевтическое клонирование официально разрешено. При этом жестко ограничивается возраст эмбриона, с которым можно вести работу (в Британии – не более 10 недель).