Клонирование организмов: методы, примеры, ограничения

Клонирование организмов - это получение особи, ядерный геном которой полностью совпадает с геномом другой, уже существующей особи. Само слово «клон» происходит от греческого названия побега или веточки, и это не случайно: первыми клонами, с которыми работал человек, были черенки и отводки садовых растений, а вовсе не лабораторные животные. В программе тема стоит на стыке цитологии, генетики и биотехнологии, поэтому формулировки вопросов сильно различаются: от «чем клон отличается от однояйцевого близнеца» до «почему выход при переносе ядра такой низкий». Ниже разберём типы клонирования, механизм метода, реальные цифры эффективности и правовые границы. Чтобы получить разбор под вашу конкретную формулировку, соберите запрос в форме ниже.

Что такое клон и чем клонирование отличается от размножения

Клон - это группа особей или клеток, происходящих от одного предка бесполым путём и несущих одинаковый набор ядерных генов. Ключевое слово здесь «ядерных». При клонировании переносом ядра цитоплазму берут у чужой яйцеклетки, а вместе с ней и митохондрии с их собственной ДНК. Поэтому клон идентичен донору по ядерному геному, но не по всей ДНК клетки: митохондриальная наследственность достаётся от донора ооцита.

Отличие от полового размножения лежит в источнике генетического материала. При половом процессе потомок получает рекомбинированный набор от двух родителей, в мейозе гены перетасовываются кроссинговером и независимым расхождением хромосом, и генотип потомка уникален. Клонирование обходит и мейоз, и оплодотворение: наследственный материал берётся целиком у одного донора, а деления идут митозом, который копирует хромосомы без перетасовки. Разницу между этими двумя типами деления стоит держать в голове - она подробно разобрана в материале об отличиях митоза и мейоза.

Важная оговорка: генетическая идентичность не означает полной одинаковости. У первой клонированной кошки рисунок шерсти не совпал с донорским, потому что распределение пятен задаётся случайной инактивацией одной из X-хромосом в каждой клетке, а не последовательностью нуклеотидов. Фенотип складывается из генотипа, среды и эпигенетических меток, поэтому клон - это копия генома, но не копия внешности и тем более не копия поведения.

Природное клонирование: клоны существуют и без лаборатории

Клонирование организмов вовсе не изобретение биотехнологов. В природе оно встречается постоянно. Однояйцевые близнецы получаются, когда зигота на ранней стадии делится надвое и каждая половина развивается в самостоятельный организм: это естественные клоны друг друга, хотя и не клоны родителей. Партеногенез у тлей, дафний и некоторых ящериц даёт потомство из неоплодотворённой яйцеклетки. Апомиксис у одуванчика и манжетки формирует семена без оплодотворения, так что целое поле может быть заполнено генетически одинаковыми растениями.

Бесполое размножение простейших, гидры почкованием, деление бактерий - всё это тоже клонирование. Более того, крупнейшие известные клоны на планете именно природные: осиновые рощи и заросли морской травы, разросшиеся вегетативно из одной особи, занимают десятки гектаров.

Рассчитать для своей задачи

Вегетативное клонирование растений

У растений клонирование поставлено на поток задолго до генетики. Черенкование, отводки, деление корневищ и клубней, прививка - все эти приёмы дают потомство с генотипом маточного растения. Практический смысл прост: сортовые признаки яблони или картофеля при семенном размножении расщепляются, а при вегетативном сохраняются полностью.

Промышленная версия того же принципа - микроклональное размножение in vitro. От растения берут апикальную меристему размером в доли миллиметра, помещают на питательную среду с фитогормонами и получают тысячи одинаковых растений от одного экземпляра за сезон. Меристема обычно свободна от вирусов, поэтому метод одновременно оздоравливает посадочный материал. Так размножают картофель, землянику, орхидеи и бананы: практически все бананы сорта Кавендиш в мировой торговле - один гигантский клон, и именно поэтому сорт так уязвим к грибковым эпидемиям.

Перенос ядра соматической клетки: метод, давший Долли

Классическая техника клонирования млекопитающих называется переносом ядра соматической клетки. Логика метода укладывается в несколько шагов:

• у яйцеклетки-реципиента микропипеткой удаляют собственное ядро (энуклеация);
• берут соматическую клетку донора и переводят её в фазу покоя, чтобы синхронизировать клеточные циклы;
• клетку сливают с безъядерной яйцеклеткой электрическим импульсом;
• реконструированную клетку активируют, имитируя сигнал оплодотворения;
• зародыш культивируют до стадии бластоцисты и переносят суррогатной матери.

Именно так в 1996 году в Рослинском институте под руководством Иэна Уилмута и Кита Кэмпбелла получили овцу Долли - первое млекопитающее, выращенное из ядра взрослой дифференцированной клетки (взяли клетку молочной железы). До этого клонированием занимались на амфибиях: Джон Гёрдон ещё в начале 1960-х вырастил лягушек из ядер клеток кишечника головастика и позже получил за эту работу Нобелевскую премию.

Главная биологическая трудность метода - репрограммирование. Ядро взрослой клетки несёт эпигенетическую разметку своего типа: часть генов заглушена метилированием ДНК, гистоны модифицированы под конкретную специализацию. Цитоплазма яйцеклетки должна за считаные часы стереть эту разметку и вернуть ядро в тотипотентное состояние. Стирается она неполно, отсюда и аномалии развития. Механизм самих меток разобран в материале о метилировании ДНК и эпигенетической регуляции.

Рассчитать для своей задачи

Эмбриональное клонирование и разделение бластомеров

Есть способ проще и старше. Если зародыш на стадии двух-восьми бластомеров механически разделить, каждая часть при благоприятных условиях разовьётся в полноценный организм. По сути это искусственное получение однояйцевых близнецов. Ещё в 1890-х Ганс Дриш разделял бластомеры морского ежа и получал целых личинок, доказав, что ранние клетки зародыша сохраняют тотипотентность.

Метод широко используют в животноводстве: ценный эмбрион разрезают и переносят нескольким реципиентам. Но у него есть принципиальное ограничение - копируется зародыш с неизвестными взрослыми качествами, а не проверенное взрослое животное с высокими надоями или скоростью. Число копий тоже невелико: делить эмбрион бесконечно нельзя, клетки быстро теряют тотипотентность.

Терапевтическое клонирование: копия клеток, а не организма

Терапевтическое клонирование использует ту же процедуру переноса ядра, но останавливается на стадии бластоцисты. Зародыш не переносят в матку: из его внутренней клеточной массы получают эмбриональные стволовые клетки с генотипом пациента. Из них можно вырастить кардиомиоциты, нейроны или клетки поджелудочной железы, которые иммунная система не отторгнет, потому что они генетически свои.

Разграничение принципиально для любого экзамена: репродуктивное клонирование нацелено на рождение организма, терапевтическое - только на получение клеточного материала. При этом с 2006 года у терапевтического клонирования появилась обходная технология: индуцированные плюрипотентные стволовые клетки Синъи Яманаки, где взрослую клетку возвращают в плюрипотентное состояние четырьмя факторами транскрипции, без всякой яйцеклетки и зародыша. Этически этот путь заметно проще, поэтому именно он вытеснил перенос ядра в большинстве лабораторий.

Рассчитать для своей задачи

Эффективность метода и его ограничения

Эффективность клонирования считают как долю живорождённых от числа реконструированных зародышей:

$\eta = \frac{N_{\text{рожд}}}{N_{\text{рек}}}\cdot 100\,\%$

Для Долли из 277 реконструированных ооцитов до бластоцисты дошли 29 зародышей, а живым родился один ягнёнок, то есть $\eta = 1/277 \approx 0{,}36\,\%$. За тридцать лет цифры выросли, но не радикально: типичный выход у крупного рогатого скота и свиней составляет единицы процентов. Оставшиеся эмбрионы гибнут на разных стадиях, часто из-за дефектов плаценты и синдрома крупного потомства, когда телята и ягнята рождаются аномально тяжёлыми.

Отдельный сюжет - здоровье клонов. У Долли обнаружили укороченные теломеры и раннее развитие артрита, её усыпили в шестилетнем возрасте из-за вирусной опухоли лёгких при средней продолжительности жизни овец около 11 лет. Позже, однако, наблюдение за группой клонов той же линии показало нормальное старение, так что вопрос о системном ускоренном износе клонов остаётся открытым. В 2018 году переносом ядра получили макак Чжун Чжун и Хуа Хуа, что технически приблизило метод к приматам и обострило этическую дискуссию.

Частые ошибки

• Клон считают полной генетической копией. Совпадает ядерный геном; митохондриальная ДНК достаётся от донора яйцеклетки.
• Клон путают с копией личности и внешности. Окраска, характер, отпечатки носа у клонированных животных отличаются от донорских: работают среда и эпигенетика.
• Смешивают терапевтическое и репродуктивное клонирование. Первое останавливается на бластоцисте и организма не даёт.
• Долли называют первым клонированным животным. Первыми были амфибии Гёрдона; Долли - первое млекопитающее из ядра взрослой соматической клетки.
• Вегетативное размножение не относят к клонированию. Черенок и отводок дают именно клон материнского растения.

FAQ

Чем клон отличается от однояйцевого близнеца? Близнецы возникают при разделении одной зиготы, поэтому у них совпадает и ядерная, и митохондриальная ДНК, а возраст одинаков. Клон получают из ядра соматической клетки взрослой особи, митохондрии у него чужие, и он на поколение младше донора.

Можно ли клонировать вымерших животных? Технически метод требует целого ядра с неповреждённой ДНК и близкородственного вида-донора яйцеклетки. Для недавно исчезнувшего пиренейского козерога это сработало в 2003 году, но детёныш прожил считаные минуты. Для мамонта ДНК фрагментирована, поэтому речь идёт не о клонировании, а о редактировании генома слона.

Зачем клонируют сельскохозяйственных животных, если это дорого? Ради тиражирования выдающихся производителей и сохранения генофонда редких пород. Клон служит не мясом, а племенным материалом: от него получают потомство обычным путём.

Коротко

Клонирование организмов - получение особи с ядерным геномом донора без полового процесса. В природе оно широко распространено: близнецы, партеногенез, апомиксис, вегетативное размножение. В лаборатории основных подходов два: разделение бластомеров раннего зародыша и перенос ядра соматической клетки, давший в 1996 году овцу Долли. Ключевое ограничение метода - неполное эпигенетическое репрограммирование донорского ядра, из-за которого выход живорождённых измеряется долями процента и единицами процентов. Терапевтическое клонирование останавливается на бластоцисте ради стволовых клеток и сегодня во многом заменено технологией индуцированных плюрипотентных клеток, а репродуктивное клонирование человека законодательно запрещено.