Значение клонирования

Возможность клонирования эмбрионов позвоночных впервые была показана в конце 40-х начале 50-х гг. в опытах на амфибиях, когда российский эмбриолог Георгий Викторович Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В июне 1948 года он отправил в "Журнал общей биологии" статью, написанную по материалам собственных экспериментов. Однако на беду Лопашова в августе 1948 года состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, утвердившая по воле коммунистических вождей беспредельное господство в биологии малограмотного агронома Т.Д. Лысенко, и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, потому что она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нём хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-х гг. американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как это часто случалось в истории российской науки.

Бриггс и Кинг разработали микрохирургический метод пересадки ядер эмбриональных клеток с помощью тонкой стеклянной пипетки в лишённые ядра клетки (энуклеированные клетки).

Они установили, что если брать ядра из клеток зародыша на ранней стадии его развития - бластуле (бластула - стадия в развитии зародыша, представляющая собой полный шар из одного слоя клеток), то примерно в 80% случаях зародыши благополучно развиваются дальше и превращаются в нормального головастика. Если же развитие зародышей продвинулось на следующую стадию - гастулу, то лишь менее чем в 20% случаев оперированные клетки развивались нормально. Эти результаты позже были подтверждены в других работах.

Большой вклад в эту область внёс английский биолог Гёрдон. Он первый в опытах с южноафриканской жабой Xenopus laevis в качестве донора ядер использовал не зародышевые клетки, а уже вполне специализировавшиеся клетки эпителия кишечника плавающего головастика. Ядра яйцеклеток-реципиентов он не удалял хирургическим путём, а разрушал ультрафиолетовыми лучами. В большинстве случаев реконструированные яйцеклетки не развивались, но примерно десятая часть из них образовывала эмбрионы, 5% из этих эмбрионов достигали стадии бластулы, 2,5% стадии головастика и только 1% развивалось в половозрелые особи (схема) однако появление нескольких взрослых особей в таких условиях могло быть связано с тем, что среди клеток эпителия кишечника развивающегося головастика довольно длительно присутствуют первичные половые клетки, ядра, которых могли быть использованы для пересадки. В последующих работах, как самого автора, так и других исследователей не смогли подтвердить данные этих первых опытов.

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

Затем Гёрдон вместе с Ласки (1970 г од) стали культивировать in vitro (вне организма в питательной среде) клетки почки, лёгкого и кожи взрослых животных и использовать уже эти клетки в качестве доноров ядер. Примерно 25% первично реконструированных яйцеклеток развивались до стадии бластулы. При серийных пересадках они развивались до стадии головастика. Таким образом, было показано, что клетки 3-х разных тканей взрослого позвоночного содержит ядра, которые могут обеспечить развитие по крайней может до стадии головастика.

В свою очередь ДиБерардино и Хофнер использовали для трансплантации ядра неделящихся и полностью дифференцированных клеток крови - эритроцитов лягушки Rana Pipiens. После серийной пересадки таких ядер 10% реконструированных яйцеклеток достигали стадии плавающего головастика. Однако даже с помощью многократных серийных пересадок (более 100 клеточных циклов) реконструированные яйцеклетки дальше стадии головастика не развивались.

Таким образом, во многих работах показано, что в случаи амфибий донорами ядер могут стать лишь зародыши на ранних стадиях развития. Некоторые авторы называют подобные эксперименты клонированием амфибий, хотя правильнее их называть клонированием эмбрионов амфибий, так как в этом случае размножают бесполым путём не взрослых животных, а их зародышей.

Дифференцировка клеток в ходе развития позвоночных сопровождается инактиваций неработающих генов, поэтому клетки теряют тотипотентность, дифференцировка становится необратимой. В конце концов, у одних клеток происходит репрессирование генома, у других в той или иной степени деградирует ДНК, а в некоторых случаях разрушается даже ядро. Однако на ряду с дифференцируемыми клетками, культивируемыми in vitro клеточные популяции содержат малодифференцируемые стволовые клетки, которые и могут быть использованы как доноры ядер для клонирования млекопитающих.

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

Неудачи экспериментов с мышами.

Успешные опыты с амфибиями заставили задуматься учёных о клонировании млекопитающих, в частности мышей.

МакКиннелл в одной из своих работах отмечал, что необходимые для этого методы уже существуют и непонятно почему мышь до сих пор не клонирована.

Однако предсказания МакКиннелла не сбылись, хотя в конце 70-х гг. опыты на мышах действительно начались и протекали весьма драматично. К тому времени весьма основательно были изучены биология и генетика ранних этапов развития млекопитающих и в частности мыши как модельного объекта.

Работа методически оказалась довольно трудной, прежде всего, потому что объём яйцеклетки у млекопитающих примерно в тысячу раз меньше, чем у амфибий. Однако эти трудности были успешно преодолены. Экспериментаторы научились успешно микрохирургическим путём удалять пронуклеусы (одно из двух гаплоидных ядер в яйце млекопитающих, в период после проникновения сперматозоида, но до слияния женского и мужского пронуклеусов в ядро зиготы в процессе оплодотворения. Мужское ядро формируется из ядерного материала сперматозоида, женское из хромосом яйцеклетки) из зигот мыши и пересаживать в них клеточные ядра ранних эмбрионов. Однако все полученные разным способом зародыши мышей развивались лишь до стадии бластулы.

В 1977 году появилось сенсационное сообщение Хоппе и Илменсе о том, что они получили 7 взрослых самок мышей, пять из которых имели только материнский, а две отцовский геном. Это, якобы, зависело от того, какой пронуклеус был оставлен в яйце - женский или мужской, он и определял особи по типу гиногенеза или андрогенеза (гиногенез - развитие яйца без участия сперматозоида, андрогенез - развитие яйца, имеющие только отцовские хромосомы - мужской партеногенез). Их успех был связан, по описанию авторов, с тем, что, удаляя один пронуклеус, они удваивали число хромосом другого, обрабатывая яйца специальным веществом, затем выращивали полученные диплоидные гомозиготные зародыши in vitro до стадии бластулы и пересаживали в матку самки-реципиента для дальнейшего развития.

Казалось, теперь можно будет быстро получить млекопитающих со 100% гомозиготностью по всем признакам. Это особенно важно для селекции, так как для получения сельскохозяйственных животных, в частности крупного рогатого скота с закреплёнными особо ценными качествами обычными приёмами требуются десятки лет работы.

Однако данные Хоппе и Илменси подтвердить не удалось, хотя многие пытались это сделать. Оказалось, что полученные любым способом диплоидные андрогенетические и гиногенетические зародыши мышей погибают, а тех же стадиях, что и диплоидные партеногенетические (развивающиеся из неоплодотворённой яйцеклетки) эмбрионы.

Значительно усовершенствовав методы извлечения ядер и введения их в клетку, МакГрат и Солтер провели свою серию экспериментов и сообщили, что высокий выход живых мышей они получили, когда в качестве доноров ядер они использовали зиготы, но если донорами были ранние эмбрионы, то реконструированные яйцеклетки, как и прежде, развивались только до стадии бластулы.

Метод МакГрата - Солтера стал широко использоваться разными экспериментаторами. Так Манн и Ловел-Банж выделяли пронуклеусы яиц, активированных к партеногенезу, и пересаживал их в энуклеированные зиготы мышей. В этих случаях эмбрионы погибали на ранних стадиях. Если же, наоборот, пронуклеусы получали из оплодотворённых яиц и пересаживали в партеногенетические и лишённые ядра яйца, то такие зародыши развивались нормально до рождения.

Сурани с соавторами установили, что если добавить женские пронуклеус из зиготы мыши к гаплоидному набору хромосом яйцеклетки, то нормального развития не происходит, добавление же мужского ядра приводит к нормальному развитию. С другой стороны, рекомбинация женского и мужского пронуклеусов из ранних оплодотворённых яйцеклеток мышей обеспечивает нормальное развитие, а комбинация 2-х мужских или 2-х женских пронуклеусов останавливает развитие эмбриона.

Эти опыты показали, что для нормального развития млекопитающих требуется два набора хромосом - отцовский и материнский. Поэтому ни у одного из известного вида млекопитающих не описан партеногенез. Поэтому же работы Хоппе и Илменсе не удалось повторить.

Однако такие исследование ещё дважды будоражили научное сообщество. В 1982 году пересадили ядра клеток партеногенетических бластул мышей в энуклеированные зиготы. Некоторые из этих реконструированных яйцеклеток нормально развивались, и якобы получены четыре взрослых самки, но в свете вышесказанного эти результаты маловероятны.

Гибель партеногенетических (гиногенетических и андрогенетических) зародышей у млекопитающих связана с различной активацией онтогенеза материнского и отцовских геномов. Механизм, регулирующий эти функциональные различия, был назван геномным импритингом и изучался в ряде работ, где было показано, что для нормального развития млекопитающих требуется наличие мужского генома.

Другая статья Илменсе и Хоппе имела ещё больший резонанс. Авторы сообщили о пересадки ядер внутренней клеточной массы бластулы в энуклеированные зиготы мышей и получения трёх взрослых особей (двух самок и одного самца), генетически идентичной донорской линии мышей. Введение ядер-доноров и удаление пронуклеусов из зиготы проводили за один приём, затем реконструированные яйцеклетки культивировали in vitro до стадии бластулы и пересаживали в матку самок. Из 16 пересаженных бластул три развились во взрослые особи. В следующей работе эти же авторы использовали в качестве доноров-ядер клетки эмбрионов ещё более поздней стадии (семь суток) и будто бы получили трёх половозрелых мышей. Однако никто из работающих в том же направлении не смог добиться подобных результатов, и достоверность результатов Илменсе и Хоппе вновь была поставлена под сомнение.

МакГрат и Солтер показали, что ядра 8-клеточных зародышей и клеток внутренней клеточной массы бластулы не обеспечивают развития in vitro реконструированных яйцеклеток даже до стадии морулы, которая предшествует стадии бластулы. Наибольшая часть (5%) 4-клеточных зародышей даёт возможность развиваться только до стадии морулы. В тоже время 19% реконструированных яйцеклеток 2-ядерных клеточных зародышей, смогли спокойно достичь стадии морулы или бластулы.

Эти и другие данные показывают, что в эмбриогенезе у мышей клеточное ядро рано теряет тотипотентность, что связано, очевидно, с очень ранней активизацией генома зародыша - уже на стадиях двух клеток. У других млекопитающих, в частности у кроликов, овец и крупного рогатого скота, активизация первой группы генов в эмбриогенезе происходит позднее, на 8-16 клеточной стадии. Возможно, поэтому первые значительные успехи в клонировании животных были достигнуты на других видах млекопитающих, а не на мышах.

Тем не менее, особый интерес вызывают опыты группы учёных из университета в Гонолулу во главе с Риузо Янагимачи. Авторам удалось усовершенствовать метод Уилмута, о котором речь пойдёт ниже, они отказались от электрической стимуляции слияния донорской соматической клетки с яйцеклеткой и изобрели такую микропипетку, с помощью которой можно было бы безболезненно извлекать ядро из соматической клетки и трансплантировать его в обезъядренную клетку. Кроме того, авторы использовали в качестве донорских относительно менее дифференцированные ядра клеток, окружающих ооцит. Наконец, удалось, как бы синхронизировать процессы, протекающие в яйцеклетке и трансплантируемом в нём ядре, что позволило обеспечить естественные ядерно-цитолазматические взаимоотношения между ядром и цитоплазмой, поскольку трансплантируемое дифференцированное в определённом направлении ядро и цитоплазма яйцеклетки до того работали как бы в разных режимах.

Авторы использовали для трансплантации ядра клеток, окружающих ооцит (клеток так называемого cumulus oophorus), клеток Сертоли из семенников и клеток, выделенных из мозга. Ядра, выделенные из соматических клеток, инъецировали в энуклеированное яйцо с помощью микропипетки. Яйцо активировали к развитию, поместив в специальный раствор (так называемый HEPES-CZB), свободный от кальция, и добавляя стронций и цитохалазин. Стронций активировал яйцо, а кальций подавлял образование полярных телец. Эмбрионов культивировали до стадии 2-8 клеток, морулы или бластулы, а затем трансплантировали в матку приёмной матери, где многие из них имплантировались и некоторые из них (15-16%) продолжали своё развитие. Процент выхода рождённых мышат (их извлекали с помощью кесарева сечения на 18, 5-19-й дни беременности) был, однако, низок - в разных сериях экспериментов от 2 до 2,8%. Молекулярные исследования доказали принадлежность ядер рождённых мышат к клеткам донора соматических клеток. Таким образом, по крайней мере в некоторых случаях доказана способность ядер соматических клеток обеспечивать нормальное развитие млекопитающих.

Тем не менее, работы с мышами, несмотря на их непростую судьбу, значительно расширили наши представления о методологии млекопитающих.

Кролики и коровы