Характеристика особенностей клонирования как биологического процесса

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Клонирование - это молодая наука, которая начала развиваться совсем недавно, и большинство людей почти ничего о ней не знают ней. у этой науки большое будущее. Клонирование позволит человечеству вылечить многие болезни и исправить важные экономические проблемы, как продовольствие и т.д. Эта наука затронула многие этнические вопросы типа: создание жизни и изменения живых организмов, что вызывает не доверие , и даже страх у части населения наше планеты.

1. История клонирования

Клонированием называют получение генетически идентичных живых организмов из соматических (а не половых клеток). Термин «клон» происходит от греческого слова klon, что означает - веточка, побег, черенок, и имеет отношение прежде всего к вегетативному размножению. Получается даже вегетативное размножение микроорганизмов делением можно назвать клонированием. Клонирование растений черенками, почками или клубнями в сельском хозяйстве, в частности в садоводстве, известно уже более 4-х тыс. лет. Начиная с 70-х годов нашего столетия для клонирования растений стали широко использовать соматические клетки. Гораздо большую сложность представляет клонирование животных.

Первые шаги к клонированию животных были предприняты около ста лет назад зоологом Московского Университета Александром Тихомировым, открывшим на примере тутового шелкопряда партеногенез: развитие без оплодотворения в результате химических и физических воздействий. Однако партеногенетические эмбрионы шелкопряда были нежизнеспособны.

Впервые возможность клонирования эмбрионов позвоночных была продемонстрирована американскими биологами на лягушках в начале 50-х годов. Затем в 1962 году зоолог Оксфордского университета Дж. Гердон существенно продвинул эти результаты, когда в опытах с южноафриканскими жабами стал использовать в качестве донора ядер не зародышевые клетки, а уже вполне специализировавшиеся клетки эпителия кишечника подросшего головастика. Выживало не более двух процентов клонированного потомства, да и у выживших наблюдались различные дефекты, однако это был огромный шаг вперед по пути клонирования.

Перейти от амфибий к млекопитающим оказалось весьма трудно, главным образом по той причине, что размеры яйцеклетки у млекопитающих примерно в тысячу раз меньше, чем у земноводных. Но к к концу 70-х эти трудности удалось преодолеть, так что к началу 80-х были освоены эксперименты по клонированию эмбрионов мышей, а к концу десятилетия ученые стали получать важные результаты на эмбрионах кроликов и крупных домашних животных.

Вплоть до середины 90-х годов вопрос об использовании взрослых млекопитающих в качестве доноров ядер клеток практически не ставился, поскольку ученые-биологи занимались главным образом клонированием эмбрионов домашних животных, причем эксперименты в этой области и по сию пору проходят весьма непросто и с высоким уровнем неудач. Поэтому поистине сенсацией стала история с клонированием в 1996 году знаменитой ныне овечки Долли в шотландской фирме PPL Therapeutics . Коллектив ученых, возглавляемый Иэном Уилмутом, продемонстрировал, что им удалось, используя соматические (неполовые) клетки взрослого животного, получить клональное животное - овцу по кличке Долли. При создании Долли половой процесс был «обойден», что позволило исключить случайно приобретаемые при скрещивании гены и открыть дорогу «чистому» генетическому программированию. Следующим шагом шотландских ученых стало выведение клонированных овец, которые имеют специальный ген, позволяющий им производить молоко с такими же белками, как у человека. По словам директора фирмы PPL Therapeutics Алана Колмена, «значение подобной методики заключается в том, что теперь мы можем выбирать еще до рождения гены, которые хотим изменить или удалить». А это уже означало принципиальную возможностью выращивать для трансплантации человеческие ткани и органы внутри, к примеру, свиней, наиболее близких нам по ряду важных биологических параметров.

В области клонирования человека наибольшим достижением остается эксперимент 1987 г., когда специалисты Университета имени Дж. Вашингтона, использовавшие специальный фермент, сумели разделить клетки человеческого зародыша и клонировать их до стадии тридцати двух клеток (бластов, бластомеров). Правда, уже в наше время на волне шумихи вокруг клонирования появились сообщения от представителей представители религиозной секты раэлитов об якобы удачном клонировании человека, но доказательств представлено не было.

2. Клонирование растений

Строго говоря, клонированием можно считать любой процесс вегетативного размножения у растений. Но здесь мы рассмотрим только сравнительно новую технологию выращивания растений из изолированных групп клеток и отдельных соматических клеток. Клонирование растений - процесс значительно более простой, чем клонирование животных. Дело в том, что у растений (в отличие от животных) по мере их роста в ходе клеточной специализации - дифференцировки - клетки не теряют так называемых тотипотентных свойств, т.е. не теряют своей способности реализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре. Поэтому практически любая растительная клетка, сохранившая в процессе дифференцировки свое ядро, может дать начало новому организму.

Для клонирования достаточно растительную клетку изолировать из целого растения и поместить на питательную среду, содержащую солевые компоненты, витамины, гормоны и источник углеводов, она начинает делиться и образует культуру каллуса. В дальнейшем каллусы можно размножить и получить неограниченное количество биомассы. Основная трудность, с которой сразу же приходится сталкиваться исследователю - это то, что клетки в искусственных условиях начинают бурно делиться и расти, но при этом часто не в состоянии продуцировать вторичные метаболиты, т.е. биологически активные вещества растений.

Клонирование растений чаще применяется в комплексе с другими биотехнологическими методами, такими как слияние (гибридизация) клеток и трансгенез (межвидовой перенос генов). Целые растения из реконструированных клеток получают затем методом клонирования.

Слияние клеток осуществляется несколькими способами с использованием так называемых фузогенных (т.е. сливающих) агентов различного происхождения: физического (переменное электрическое или магнитное поле), химического (катионы, полиэтиленгликоль и др.), биологического (вирусы). Растительные и клетки перед слиянием превращают в протопласты (т.е. клетки, лишенные внешней жесткой клеточной стенки). Последующий отбор (скрининг) полученных гибридных клеток позволяет отобрать те из них, которые объединили геномы или фрагменты ДНК родительских клеток.

Клеточная инженерия позволяет получать гибридные штаммы, клетки или даже целые растения (растения-регенераты), скрещивая между собой филогенетически (т.е. эволюционно) отдаленные организмы. В случае неполного слияния клеток (т.е. клетка-реципиент получает отдельные участки ядерного генетического материала или части клетки-донора (органеллы)) получаются асимметричные гибриды. Это расширяет возможности получения новых сортов сельскохозяйственных, для создания которых ранее использовались методы классической селекции. За последнее время созданы ряд межвидовых и межродовых гибридов табака, картофеля, томата, капусты, турнепса, сои и мн. др. Использование достижений клеточной инженерии, например, позволило разработать технологии получения безвирусных растений (например, картофеля) путем регенерации целого растения из одной соматической клетки.

Ученые работают над изменением генотипов злаков. Они вводят в их генотипы специальный ген бактерий, который будет способствовать усвоению азота из атмосферного воздуха. Решение этой проблемы позволило бы сократить затраты средств на производство азотных удобрений.

Перенос генов используется и при выведении новых сортов декоративных растений. Так, в генотип петунии был перенесен ген, нарушающий образование пигмента в лепестках. Таким путем была создана петуния с белыми цветками.

Благодаря методам клеточной инженерии сроки, необходимые для выведения новых сортов растении, сокращаются с 10-12 лет при использовании обычных методов селекции до 3-4 лет.

Трансгенные растения постепенно завоевывают мир. Особенно интенсивно процесс идет в США, Западной Европе, Японии, Китае. Только в Китае по некоторым данным зарегистрировано около 120 генетически модифицированных сортов сельскохозяйственных культур. В США генетически модифицированная соя вытеснила традиционную.

Благодаря достижениям в области трансгенеза и клонирования мы сможем уже в ближайшее десятилетие в полной мере воспользоваться растением как наиболее дешевой и экологически безопасной фабрикой для производства большинства необходимых человеку материалов, пищи, лекарственных препаратов, химических соединений, сырья и т. д.

Биотехнология растений играет важную роль и в решении продовольственной проблемы. Биотехнология дает новый мощный инструмент, дополняющий уже существующие способы повышения производительности сельского хозяйства и, как следствие, стимулирования экономического роста в бедных странах.

Однако, в то время как медицинская продукция уже получила всеобщее признание, внедрение генетически модифицированных продуктов питания в некоторых развитых странах встретило сильнейшую оппозицию, связанную, главным образом, с недостатком генетических знаний и, как следствие, необоснованными страхами. Тем не менее, определенные опасения в отношении трансгенных растений имеют под собой почву.

По мнению специалистов, трансгенные организмы, преимущественно устойчивые к вредителям (в основном за счет токсинов, происходящих из Bacillus thuringiensis) способны вызвать изменения в популяции насекомых, однако куда большее влияние оказывает применение инсектицидов. Устойчивость к солям, воде, засухе и другие характеристики будут оказывать влияние, предсказать которое трудно, поэтому приступать к этим разработкам следует с особой осторожностью. Кроме того, следует гарантировать, что будут предприняты все необходимые меры предосторожности во всех случаях, когда продовольственные или кормовые культуры модифицируются с целью получения фармакологически активных соединений, которые могут быть перенесены к другим растениям, или проникать в почву и затем в воду.

В целом продукты селекции растений значительно менее агрессивны, чем исходные или дикие растения. Это объясняется тем, что в них человек стремится закрепить выгодные для себя качества, а это зачастую серьезно ограничивает их способность выживать за пределами фермерского поля, где культивирование и контроль за сорняками значительно облегчает им жизнь. Так, например, многие зерновые культуры отбирались по тому признаку, что их колосья не рассыпаются в процессе созревания. Это существенно облегчает уборку урожая, и в то же время препятствует естественному распространению семян. Вероятно, это окажется справедливым и в отношении генетически модифицированных растений, так как по своей основе они также представляют собой культивируемые растения. Недавние эксперименты в Великобритании показали, что сельскохозяйственные генетически модифицированные растения, тестированные на выживание в природных условиях, не имеют никаких преимуществ перед их дикими сородичами.

И все же существуют некоторые опасения, что чужеродные гены из ГМ-растений могут передаваться другим диким растениям, в результате чего возникнут сорняки, которые будет более сложно удержать под контролем. Эта опасность должна быть осознана. Считается недальновидным вводить ген толерантности к гербицидам в рис там, где красный рис произрастает как сорняк, и в сорго там, где сорняком является гумай (алепское сорго). Скрещивание с этими видами сильных сорняков может сделать неэффективным использование гербицидов для борьбы с ними.

Пока что в результате применения трансгенных растений неблагоприятные эффекты не обнаружены.

Другое применение технологии клонирования - культивирование растение на питательных средах. Таким путем из небольшой части (клетки) растения можно получить до 1 млн. растений в год. Этот метод используют для быстрого размножения редких или вновь созданных ценных сортов сельскохозяйственных растений.

При культивировании клеток растений на питательных средах из одной многократно делящейся клетки можно получить клоны, в клетках которых накапливается в несколько раз больше ценных веществ, чем в выращиваемом обычным способом целом растении. Так получают, например, биомассу женьшеня для нужд парфюмерной и медицинской промышленности.

3. Клонирование животных: технология

Основы. Клонирование целых животных.

Клетки животных, дифференцируясь, лишаются тотипотентности, и в этом - одно из существенных их отличий от клеток растений. Именно здесь главное препятствие для клонирования взрослых позвоночных животных. Методы клонирования целых животных до сих пор не доведены до стадии практического («промышленного») применения.

Наиболее удачными являются эксперименты по клонированию животных из эмбриональных недифференцированных клеток, не утративших тотипотентных свойств, однако есть положительные результаты и со зрелыми клетками.

Процесс клонирования протекает следующим образом - ядро соматической клетки пересаживают в лишенную ядра (энуклеированную) яйцеклетку и имплантируют ее в организм матери (если это животное, требующее вынашивания).

Энуклеация традиционно проводится микрохирургически или путем разрушения ядра ультрафиолетом, пересадка производится с помощью тонкой стеклянной пипетки или электрослиянием. В последнее время ученые из датского Института сельскохозяйственных наук разработали недорогую технологию клонирования, которая гораздо проще используемой ныне.

По новой технологии, яйцеклетки разрезаются пополам, и половинки с ядрами выбрасываются. Выбирается пара оставшихся пустых половинок, которые «склеиваются» в одну яйцеклетку после добавления нового ядра. Самая дорогая часть оборудования, которую использовали в этом эксперименте, -- машина для «сварки» клеток -- стоит всего лишь $3,5 тысячи. Технология может быть полностью автоматизирована и поставлена «на поток».

Успешность пересадки зависит от вида животного (амфибий клонируют успешнее, чем млекопитающих), методики пересадки и степени дифференцировки клетки-донора. Так, ещё Бриггс и Кинг в первых опытах на амфибиях установили, что если брать ядра из клеток зародыша на ранней стадии его развития - бластуле, то примерно в 80% случаев зародыш благополучно развивается дальше и превращается в нормального головастика. Если же развитие зародыша, донора ядра, продвинулось на следующую стадию - гаструлу, то лишь менее чем в 20% случаев оперированные яйцеклетки развивались нормально. Эти результаты позже были подтверждены и в других работах.

Гердон, использовавший в качестве доноров специализированные клетки эпителия, получил следующие результаты: в большинстве случаев реконструированные яйцеклетки не развивались, но примерно десятая часть их них образовывала эмбрионы. 6,5% из этих эмбрионов достигали стадии бластулы, 2,5% - стадии головастика и только 1% развился в половозрелых особей. Однако, появление нескольких взрослых особей в таких условиях могло быть связано с тем, что среди клеток эпителия кишечника развивающегося головастика довольно длительное время присутствуют первичные половые клетки, ядра которых могли быть использованы для пересадки. В последующих работах как сам автор, так и многие другие исследователи не смогли подтвердить данные этих первых опытов.

Позже Гердон модифицировал эксперимент. Поскольку большинство реконструированных яйцеклеток (с ядром клетки кишечного эпителия) погибают до завершения стадии гаструлы, он попробовал извлечь из них ядра на стадии бластулы и снова пересадить их в новые энуклеированные яйцеклетки (такая процедура называется «серийной пересадкой» в отличие от «первичной пересадки»). Число зародышей с нормальным развитием после этого увеличивалось, и они развивались до более поздних стадий по сравнению с зародышами, полученными в результате первичной пересадки ядер.

Таким образом, во многих работах показано, что в случае амфибий донорами ядер могут быть лишь зародыши на ранних стадиях развития, хотя и клоны дифференцированных клеток удавалось «доводить» до поздних стадий, особенно при использовании метода серийных пересадок.

Опыты с амфибиями показали, что ядра различных типов клеток одного и того же организма генетически идентичны и в процессе клеточной дифференцировки постепенно теряют способность обеспечивать развитие реконструированных яйцеклеток, однако серийные пересадки ядер и культивирование клеток in vitro в какой-то степени увеличивает эту способность.

У млекопитающих в качестве доноров используются малодифференцированные стволовые клетки или клетки ранних эмбрионов. Работа методически оказалась довольно трудной, прежде всего потому, что объем яйцеклетки у млекопитающих примерно в тысячу раз меньше, чем у амфибий. Однако эти трудности были успешно преодолены. Экспериментаторы научились микрохирургически удалять пронуклеусы из зигот (оплодотворенных яйцеклеток) млекопитающих и пересаживать в них клеточные.

Опыты на мышах закончились полной неудачей - клоны гибли на стадии бластоцисты, что связано вероятно, с очень ранней активацией генома зародыша - уже на стадии 2-х клеток. У других млекопитающих, в частности, у кроликов, овец и крупного рогатого скота, активация первой группы генов в эмбриогенезе происходит позднее, на 8-16-клеточной стадии. Возможно поэтому первые значительные успехи в клонировании эмбрионов были достигнуты на других видах млекопитающих, а не на мышах.

Для кроликов (Стик и Робл, 1989) был получен результат - 3,7% реконструированных яйцеклеток развились до нормальных животных.

Работа с реконструированными яйцеклетками крупных домашних животных, коров или овец, идет несколько по-другому. Их сначала культивируют не in vitro, a in vivo - в перевязанном яйцеводе овцы - промежуточного (первого) реципиента. Затем их оттуда вымывают и трансплантируют в матку окончательного (второго) реципиента - коровы или овцы соответственно, где их развитие происходит до рождения детеныша. По данным одних авторов реконструированные зародыши лучше развиваются в яйцеклетке, чем в культуральной среде, хотя некоторые исследователи получили неплохие результаты и при культивировании.

Таким образом, была в целом решена проблема клонирования крупного рогатого скота. Например, в одном из экспериментов, 92 яйцеклетки из 463 развились до взрослых коров.

Позднее были получены клоны овец. В 1993-1995 годах, группа исследователей под руководством Уилмута получила клон овец - 5 идентичных животных, донорами ядер которых была культура эмбриональных клеток. Клеточную культуру получали следующим образом: выделяли микрохирургически эмбриональный диск из 9-дневного овечьего эмбриона (бластоцисты) и культивировали клетки in vitro в течение многих пассажей (по крайней мере до 25). Сначала клеточная культура напоминала культуру стволовых недифференцированных эмбриональных клеток, но вскоре, после 2-3-х пассажей, клетки становились уплотненными и морфологически сходными с эпителиальными. Эта линия клеток из 9-дневного зародыша овцы была обозначена как TNT4.

Эта работа, особенно в части культуры эмбриональных клеток, - значительное достижение в клонировании млекопитающих, хотя она и не вызвала столь шумного интереса, как статья того же Уилмута с соавторами, опубликованная в начале 1997 года, где сообщалось, что в результате использования донорского ядра клетки молочной железы овцы было получено клональное животное - овца по кличке Долли. Последняя работа методически во многом повторяет предыдущее исследование, но в ней ученые использовали не только эмбриональные, но еще и фибробластоподобные клетки (фибробласты - клетки соединительной ткани) плода и клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки молочной железы получали от шестилетней овцы породы финн дорcет, находящейся на последнем триместре беременности. Все три типа клеточных культур имели одинаковое число хромосом - 54, как обычно у овец. Деление клеток всех трех типов останавливали на стадии G0 и ядра клеток пересаживали в энуклеированные ооциты (яйцеклетки) на стадии метафазы II. Большинство реконструированных эмбрионов сначала культивировали в перевязанном яйцеводе овцы, но некоторые и in vitro в химически определенной среде. Коэффициент выхода морул или бластоцист при культивировании in vitro в одной серии опытов был даже вдвое выше, чем при культивировании в яйцеводе (поэтому, видимо, нет строгой необходимости в промежуточном реципиенте и можно обойтись культивированием in vitro. Однако для полной уверенности в этом нужны дополнительные данные).

Перспективным направлением в технологии клонирования животных является изучение генетических механизмов развития и дифференцировки клеток. Так, Рудольф Яниш из Whitehead Institute обнаружил, что 70-80 генов, которые обычно активизируются в развивающихся мышиных эмбрионах, у клонов оказываются либо неактивны, либо демонстрируют пониженную активность. Хотя непонятно, что же делают эти гены, однозначно установлено, что они включаются одновременно с еще одним геном, Oct4. Этот ген, в свою очередь, дает эмбрионам возможность создавать плюрипотентные клетки - то есть клетки, которые могут превратиться в любую ткань. Возможно, что часть активизирующихся одновременно с этим генов также задействуется в этом процессе. Теперь ученым предстоит выяснить, что заставляет эти гены молчать. В случае удачи наука сделает важный шаг вперед в разработке методологии 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. 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?

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.

4. Трудности клонирования

клонирование соматический межвидовой

Несмотря 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.

5. 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:

1. Крайне низкая результативность клонирования, высокая летальность среди клонов делают попытки клонирования человека этически неприемлемыми вплоть до усовершенствования методики до приемлемого уровня безопасности для клона.

2. Неизвестно, как будет влиять на развитие человека и структуру общества новый тип семейных отношений, который может сложиться в связи с распространением клонирования.

3. Предполагают, что клоны будут испытывать проблемы со становлением личностного самосознания, с интеграцией в человеческое общество.

4. 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).

Заключение

Все выше сказанное показывает, что если генетика будет развиваться такими же темпами и большинство людей поймет, что это безопасное и полезное мероприятие. Тогда решатся многие проблему, и человечество придет к счастливому и невероятному будущему, которое мы даже не можем представить.

Литература

1. Биология. Обучающие энциклопедии, 2000.

2. Булгаков В.П. Клеточная биотехнология лекарственных растений Дальнего Востока России.

3. Генетические проблемы клонирования целого животного. 12.03.03.

4. Жемердеева Е. Атака клонов. // «Спецназ России», 2003, №1.

5. Индийские ученые намерены клонировать исчезающего гепарда.

6. Киви Берд. Начало эпохи клонирования. // «Компьютера», от 28.01.2001.

Размещено на Allbest.ru