Клонирование животных: реконструкция яйцеклеток и пересадка ядер

В 1996 году родилась овца, у которой не было отца, а «матерей» было три: одна дала ядро клетки, вторая — яйцеклетку, третья выносила. Долли доказала то, во что до этого не верили: ядро обычной клетки взрослого животного можно вернуть к началу развития. Как устроен метод пересадки ядер, почему он работает и почему так часто не срабатывает, зачем клонируют животных и что такое терапевтическое клонирование — восьмая статья серии «Биотехнология».

• 1. Что такое клонирование
• 2. Три слова, которые путают
• 3. Главный вопрос: что происходит с генами при специализации
• 4. Опыты на амфибиях: Бриггс, Кинг и Гёрдон
• 5. Долли: как это было сделано
• 6. Метод пересадки ядер: подробно
• 7. Перепрограммирование: что должно произойти в ядре
• 8. Эффективность и трудности
• 9. Кого клонировали
• 10. Зачем клонируют животных
• 11. Репродуктивное и терапевтическое клонирование
• 12. Клонирование человека
• 13. Смежные технологии
• 14. Хронология
• 15. Опыты, которые предшествовали
• 16. Эпигенетика: почему клетки с одинаковыми генами разные
• 17. Другой путь: индуцированные плюрипотентные клетки
• 18. Словарь темы
• 19. Почему это важно знать
• 20. Свиньи для пересадки органов
• 21. Животные-продуценты лекарств
• 22. Клонирование в кино и в жизни
• 23. Что впереди
• 24. Что клон получает от яйцеклетки
• 25. Клонирование растений и животных: сравнение
• 26. Тонкости, от которых зависит успех
• 27. Тема в числах
• 28. Клонирование как инструмент генной инженерии животных
• 29. Этические вопросы клонирования животных
• 30. Как оценивают оправданность работ с животными
• 31. Итог: что важно знать
• 32. Частые ошибки
• 33. Интересные факты
• 34. Частые вопросы
• 35. ЕГЭ
• 36. Для олимпиад
• 37. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое клонирование

Клон — совокупность организмов (или клеток), генетически идентичных и происходящих от одного предка бесполым путём. Клонирование — получение таких копий.

Важно сразу разделить несколько понятий, которые часто путают.

В кодификаторе названы «реконструкция яйцеклеток и клонирование животных» и «метод трансплантации ядер клеток» [1] — речь идёт именно о четвёртом случае.

Клоны в природе

Клонирование — не изобретение человека. В природе клоны образуются постоянно:

• при бесполом размножении бактерий, простейших, грибов;
• при вегетативном размножении растений — усами, корневищами, клубнями, отводками; целая осиновая роща может быть одним клоном;
• при почковании гидры, фрагментации кольчатых червей и морских звёзд;
• при партеногенезе у тлей, дафний, некоторых ящериц;
• у человека и животных — при образовании монозиготных близнецов: зародыш на ранней стадии разделяется, и возникают два генетически идентичных организма.

Последний пример особенно важен: он показывает, что клетки раннего зародыша сохраняют способность дать целый организм. Вопрос был в другом — сохраняют ли её клетки взрослого организма.

2. Три слова, которые путают

Прежде чем идти дальше, разведём понятия, которые в разговорной речи сливаются.

• Клонирование — получение генетически идентичных организмов. Наследственный материал при этом не изменяют.
• Генная инженерия — изменение наследственного материала: введение, удаление или исправление генов. Организм при этом может размножаться как обычно.
• Трансплантация — пересадка: ядра (при клонировании), зародыша (в репродуктивных технологиях), органа (в медицине). Само слово ничего не говорит о том, меняется ли наследственность.

Эти вещи часто сочетают: чтобы получить свинью с изменёнными генами, сначала применяют генную инженерию к клеткам в культуре, затем клонирование (пересадку ядра), а затем трансплантацию зародыша суррогатной матери. Но по отдельности это разные операции с разными целями, и на экзамене их нужно различать.

3. Главный вопрос: что происходит с генами при специализации

В начале XX в. обсуждались две гипотезы.

• Гипотеза утраты генов. При делениях зародыша клетки получают разные части наследственного материала: клетке кожи достаются «гены кожи», клетке печени — «гены печени». Тогда вернуть клетку к началу развития невозможно.
• Гипотеза равнонаследственности. Все клетки получают одинаковый полный набор генов, а различаются тем, какие гены в них работают. Тогда теоретически клетку можно «перенастроить».

Проверить это можно было одним способом: взять ядро специализированной клетки, поместить его в яйцеклетку, лишённую собственного ядра, и посмотреть, разовьётся ли нормальный организм. Если да — гены на месте, и дело в их работе.

Этот замысел высказал ещё в 1938 г. Ганс Шпеман, назвав его «фантастическим экспериментом»: технически он тогда был невыполним.

4. Опыты на амфибиях: Бриггс, Кинг и Гёрдон

Первая пересадка ядер

В 1952 г. американские исследователи Роберт Бриггс и Томас Кинг осуществили «фантастический эксперимент» на леопардовой лягушке. Они удаляли из яйцеклетки ядро тонкой иглой, а затем вводили в неё ядро клетки бластулы — раннего зародыша. Часть таких реконструированных яйцеклеток развивалась в нормальных головастиков [2]. Но ядра клеток более поздних стадий развития давали всё меньше успехов. Бриггс и Кинг сделали вывод, что при специализации клетки происходят необратимые изменения ядра.

Опыты Гёрдона

В конце 1950-х — 1960-х гг. английский исследователь Джон Гёрдон работал с шпорцевой лягушкой и усовершенствовал метод. Ядро яйцеклетки он разрушал ультрафиолетом, а ядро пересаживал из клеток кишечного эпителия питающегося головастика — то есть из вполне специализированных клеток [3]. Часть реконструированных яйцеклеток развилась в головастиков, а некоторые — во взрослых плодовитых лягушек.

Это был ответ на главный вопрос: гены при специализации не теряются. Ядро специализированной клетки содержит полный набор генов и может быть «перенастроено» цитоплазмой яйцеклетки на программу развития с самого начала. Гипотеза утраты генов была опровергнута.

Долгое время результаты Гёрдона считались спорными: оппоненты предполагали, что он случайно переносил ядра редких недифференцированных клеток. Признание пришло десятилетия спустя: в 2012 г. Гёрдон получил Нобелевскую премию совместно с Синъя Яманакой, чьи опыты с iPS-клетками подтвердили обратимость специализации другим способом.

Почему именно амфибии

• Яйцеклетка лягушки огромна (более миллиметра) — с ней удобно работать иглой.
• Развитие идёт вне организма матери, в воде, и его легко наблюдать.
• Икры много, можно поставить сотни параллельных опытов.

У млекопитающих всё сложнее: яйцеклетка в сто раз мельче по диаметру, развитие требует матки, а число клеток ограничено. Поэтому путь от лягушки до Долли занял более тридцати лет.

5. Долли: как это было сделано

В 1996 г. в Рослинском институте (Шотландия) группа Иэна Уилмута и Кита Кэмпбелла получила овцу Долли — первое млекопитающее, развившееся из ядра клетки взрослого животного [4].

Схема опыта

1. Донор ядра. Взяли клетки вымени взрослой шестилетней овцы породы финн-дорсет (белая морда) и выращивали их в культуре.
2. Ключевой приём. Клетки-доноры перевели в состояние покоя, резко уменьшив содержание сыворотки в среде. Клетка «остановилась» вне цикла деления — это, как выяснилось, важно для согласования с яйцеклеткой.
3. Донор яйцеклетки. У овцы другой породы (шотландская чернолицая) взяли яйцеклетку и микроиглой удалили её ядро — получили энуклеированную (безъядерную) яйцеклетку.
4. Реконструкция. Клетку-донора поместили рядом с яйцеклеткой под её оболочку и пропустили короткий электрический импульс: он вызвал слияние клеток и одновременно активировал яйцеклетку к развитию.
5. Культивирование. Реконструированные яйцеклетки развивались в культуре до стадии бластоцисты.
6. Пересадка. Зародышей перенесли суррогатным матерям — овцам чернолицей породы.
7. Результат. Из 277 реконструированных яйцеклеток развилось 29 зародышей, пригодных для пересадки, и родился один живой ягнёнок — Долли. Она была белой, как порода донора ядра, а не как выносившая её чернолицая овца.

Что доказала Долли

• Ядро полностью специализированной клетки взрослого млекопитающего сохраняет всю наследственную информацию.
• Цитоплазма яйцеклетки способна перепрограммировать это ядро — вернуть его к эмбриональному состоянию.
• Специализация клеток обратима; необратимых изменений генов при ней не происходит.

Почему именно клетка вымени

Выбор не случаен: клетки вымени лактирующей овцы хорошо растут в культуре, их легко получить без вреда для животного, и они достаточно специализированы, чтобы опыт был убедительным. Позже обсуждалось, не могли ли среди них оказаться редкие малодифференцированные клетки — но подтверждением результата стали клоны, полученные из явно специализированных клеток у других видов.

Судьба Долли

Долли прожила шесть с половиной лет, дала потомство обычным путём. У неё развился артрит, а затем вирусная опухоль лёгких — болезнь, распространённая среди овец, содержащихся в помещении; из-за неё Долли усыпили в 2003 г. Обсуждалось, не было ли её старение ускоренным из-за укороченных теломер, унаследованных от шестилетней клетки-донора. Позднейшие наблюдения за другими клонированными овцами, в том числе «сёстрами» Долли из той же клеточной линии, не выявили у них ускоренного старения. Сегодня считают, что ранние болезни Долли не доказывают преждевременного старения клонов.

6. Метод пересадки ядер: подробно

Современный метод пересадки ядер соматической клетки состоит из одних и тех же шагов независимо от вида [5].

1. Получение яйцеклеток

Яйцеклетки берут у доноров или с бойни, доводят в культуре до стадии зрелости (метафаза второго деления мейоза) — именно в этом состоянии цитоплазма обладает наибольшей способностью перепрограммировать ядро.

2. Энуклеация

Из яйцеклетки удаляют собственный наследственный материал. Хромосомы в метафазе не окружены ядерной оболочкой, поэтому их отсасывают вместе с небольшим количеством цитоплазмы микропипеткой, предварительно подсветив флуоресцентным красителем ДНК или воспользовавшись особой оптикой. Удалить нужно всё: оставшаяся хромосома испортит результат.

3. Подготовка донорской клетки

Клетки донора (фибробласты кожи, клетки вымени, клетки яйцевода) выращивают в культуре. Их переводят в состояние покоя или подбирают стадию клеточного цикла так, чтобы после слияния количество ДНК и состояние хромосом соответствовали норме.

4. Реконструкция

Два способа:

• Слияние электрическим импульсом: клетку помещают под оболочку яйцеклетки, импульс разрушает мембраны в месте контакта, и содержимое клетки оказывается в цитоплазме яйцеклетки.
• Прямая инъекция: ядро или всю клетку вводят микроиглой внутрь яйцеклетки (так чаще делают у мышей и приматов).

5. Активация

В норме развитие запускает сперматозоид, вызывая колебания концентрации кальция. При пересадке ядра его заменяет искусственная активация: электрический импульс, химические вещества, повышающие уровень кальция, или их сочетание.

6. Культивирование и пересадка

Реконструированный зародыш культивируют несколько дней до стадии, пригодной для переноса, и пересаживают суррогатной матери — так же, как при обычной трансплантации зародышей.

7. Перепрограммирование: что должно произойти в ядре

Ядро клетки вымени настроено на работу клетки вымени: в нём «включены» одни гены и «выключены» другие, причём устойчиво — за счёт химических меток на ДНК и белках-гистонах, образующих эпигенетическую настройку. Чтобы из этого ядра развился организм, настройку нужно стереть и заменить эмбриональной.

Что должна сделать цитоплазма яйцеклетки за первые часы и дни:

• разобрать ядерную оболочку и перестроить хроматин;
• удалить метильные метки с ДНК в нужных местах и расставить их заново;
• заменить белки хроматина на характерные для зародыша;
• включить гены раннего развития и выключить гены специализации;
• согласовать всё это со сроками первых делений дробления.

Эта работа выполняется неполно и с ошибками — отсюда низкая эффективность метода. Часть генов остаётся «неправильно настроенной», особенно импринтированные гены, работа которых в норме зависит от того, от отца или от матери они получены. При обычном оплодотворении метки импринтинга расставляются при образовании половых клеток; при пересадке ядра соматической клетки этот механизм обходится, и нарушения почти неизбежны.

Отсюда типичные проблемы клонированных зародышей: увеличенная плацента, крупноплодие («синдром крупного потомства» у копытных), нарушения развития лёгких и сердца, гибель на поздних сроках беременности и вскоре после рождения.

8. Эффективность и трудности

В сумме из сотни реконструированных яйцеклеток живым и здоровым рождается в лучшем случае несколько животных, а у многих видов — единицы. У Долли это был 1 ягнёнок на 277 яйцеклеток. За прошедшие десятилетия эффективность выросла, но остаётся низкой по сравнению с обычным размножением.

Причины трудностей:

• неполное перепрограммирование ядра и нарушения импринтинга;
• повреждение яйцеклетки при микроманипуляциях (вместе с хромосомами можно удалить важные белки веретена деления);
• несовпадение состояния клеточного цикла донора и яйцеклетки;
• митохондрии остаются от яйцеклетки, то есть клон не полностью идентичен донору ядра;
• накопленные в клетке-доноре мутации передаются клону.

9. Кого клонировали

Обратите внимание на две закономерности. Во-первых, метод оказался применим ко многим млекопитающим, но для каждого вида его приходилось приспосабливать заново. Во-вторых, клонирование приматов удалось только через двадцать с лишним лет после Долли: у них перепрограммирование ядра идёт особенно трудно, и потребовались дополнительные приёмы, снимающие эпигенетические препятствия.

10. Зачем клонируют животных

• Размножение выдающихся животных. Копия чемпиона-производителя, ценного спортивного коня, рабочей собаки. Это дорого и применяется редко; к тому же клон не обязательно повторит достижения оригинала — многое определяется условиями, обучением и случайностью.
• Получение трансгенных и отредактированных животных. Это главное практическое применение. Гены удобно изменять в клетках в культуре: там можно отобрать именно те клетки, где изменение произошло правильно. Затем ядро такой проверенной клетки переносят в яйцеклетку — и рождается животное, у которого изменение есть во всех клетках. Так получают: свиней, чьи органы меньше отторгаются при пересадке человеку; коз и коров, выделяющих с молоком лекарственные белки; модели наследственных болезней человека для исследований.
• Сохранение редких видов. Из замороженных клеток животных, умерших десятилетия назад, получают потомство — так в генофонд исчезающего вида возвращают утраченное разнообразие. Яйцеклетки и суррогатных матерей при этом берут от близкого распространённого вида.
• Исследования. Клонированные животные генетически идентичны, что позволяет сравнивать влияние условий без влияния генотипа; клонирование приматов задумано для изучения болезней мозга.
• Терапевтическое клонирование — отдельная задача, о ней ниже.
• Домашние любимцы. Коммерческие услуги по клонированию кошек и собак существуют; стоят дорого и вызывают споры: клон имеет тот же генотип, но это другое животное — с другим опытом, поведением и даже рисунком шерсти.

Почему клон не точная копия

• Митохондрии клон получает от яйцеклетки, а не от донора ядра: митохондриальная ДНК у него «чужая».
• Эпигенетические метки восстанавливаются неидеально.
• Случайные процессы развития определяют многое: рисунок пятен у кошек зависит от случайной инактивации одной из X-хромосом в клетках, поэтому клон трёхцветной кошки имеет другой узор.
• Среда и опыт формируют поведение и здоровье не меньше генов.
• В клетке-доноре накоплены соматические мутации, которых не было у молодого организма.

Отсюда важный вывод для экзамена: клон — генетическая копия по ядерным генам, но не копия организма.

11. Репродуктивное и терапевтическое клонирование

Один и тот же метод — пересадка ядра — может служить двум совершенно разным целям.

Идея терапевтического клонирования такова: из клетки кожи пациента берут ядро, переносят в донорскую яйцеклетку, получают бластоцисту и из её внутренней клеточной массы — стволовые клетки. Они генетически совпадают с клетками пациента, поэтому полученные из них ткани не отторгались бы при пересадке. У человека такие линии были получены в 2013 г., но в практику метод не вошёл.

Причина — появление iPS-клеток: их получают прямо из клеток кожи пациента, без яйцеклеток и без зародыша. Это проще, дешевле и не вызывает этических возражений. Поэтому исследования сместились в сторону iPS-клеток, а терапевтическое клонирование осталось в основном методом фундаментальных исследований.

12. Клонирование человека

Репродуктивное клонирование человека запрещено в большинстве стран. В России действует отдельный федеральный закон о временном запрете на клонирование человека, который неоднократно продлевался; он не препятствует клонированию клеток в исследовательских целях.

Доводы против репродуктивного клонирования человека:

• Безопасность. У всех изученных видов клонирование сопровождается высокой гибелью зародышей и плодов, нарушениями развития, патологиями плаценты. Переносить такую технологию на человека недопустимо.
• Достоинство личности. Создание человека как «копии» другого противоречит представлению о каждом человеке как о самостоятельной личности, а не средстве.
• Отношения и ожидания. Ребёнок-клон неизбежно оказался бы под грузом ожиданий «повторить» оригинал, что само по себе наносит вред.
• Отсутствие необходимости. Для лечения бесплодия существуют другие методы; для получения совместимых клеток — iPS-клетки.

При этом важно понимать, что биологически клон человека был бы обычным человеком — позднорождённым однояйцевым близнецом своего донора ядра, с собственной личностью, опытом и отличиями. Представления о «копировании сознания» не имеют отношения к биологии.

13. Смежные технологии

• Деление зародыша — получение монозиготных близнецов разделением ранней морулы. Проще пересадки ядер, но даёт всего 2–4 копии и только от зародыша, а не от взрослого животного.
• Химеры — организмы из клеток двух и более зародышей. Если смешать клетки двух ранних зародышей мыши, родится мышь, часть клеток которой происходит от одного зародыша, часть — от другого (полосатая окраска — результат такого смешения). Химеры используют в исследованиях и при получении линий мышей с изменёнными генами.
• Межвидовая пересадка ядер — ядро редкого вида в яйцеклетку близкого распространённого. Работает плохо: ядро и митохондрии разных видов плохо согласуются, но для некоторых близких видов удалось получить потомство.
• Получение животных из iPS-клеток. У мышей из iPS-клеток получали полноценных животных, что служит строгим доказательством плюрипотентности этих клеток.
• «Воскрешение» вымерших видов. Регулярно обсуждается возвращение мамонта или сумчатого волка. Биологические препятствия велики: нужна целая живая клетка (а в древних остатках ДНК фрагментирована), подходящая яйцеклетка и суррогатная мать близкого вида, а также среда обитания. Реальные проекты сегодня нацелены скорее на создание животных с отдельными признаками вымерших видов, чем на их точное воспроизведение.

14. Хронология

Из таблицы видно, что между принципиальной идеей (1938) и её воплощением у млекопитающих (1996) прошло почти шестьдесят лет: биологическая идея была верна, но потребовались десятилетия развития техники.

15. Опыты, которые предшествовали

Путь к пересадке ядер проложили классические работы эмбриологов.

• Ханс Дриш, 1892. Разделив зародыш морского ежа на стадии двух клеток, он получил две полноценные личинки. Это противоречило популярной тогда идее, что каждая клетка зародыша получает «свою часть» наследственного вещества.
• Ганс Шпеман, 1928. Он перетягивал зародыш тритона на стадии двух клеток детским волосом так, что ядро оставалось в одной половине. Когда в «безъядерной» половине оказывалось ядро после одного из делений, из неё развивался полноценный тритон. Фактически это была первая «пересадка ядра» — внутри одного зародыша.
• Шпеман и Хильда Мангольд, 1924. Пересадка кусочка зародыша («организатора») в другой зародыш вызывала формирование второго зародыша. Эти работы показали, что развитие управляется сигналами, а не только «врождённой программой» каждой клетки.

Все вместе они подводили к мысли: судьба клетки определяется не потерей генов, а сигналами и настройкой их работы. Пересадка ядер стала решающей проверкой этой мысли.

16. Эпигенетика: почему клетки с одинаковыми генами разные

Чтобы понимать клонирование, нужно ясно представлять, чем клетка печени отличается от клетки кожи, если набор генов у них одинаков.

Уровни настройки

• Метилирование ДНК. К цитозину в составе определённых последовательностей присоединяется метильная группа. Метилированный участок обычно «молчит»: регуляторные белки к нему не присоединяются, ген не работает. Метки копируются при делении, поэтому состояние наследуется дочерними клетками.
• Модификации гистонов. Белки, на которые намотана ДНК, несут химические метки (ацетильные, метильные и др.). Одни делают хроматин «рыхлым» и доступным, другие — плотным и недоступным.
• Плотность упаковки. Гетерохроматин — плотно упакованные участки, где транскрипция практически не идёт; эухроматин — рыхлые, активные участки.
• Регуляторные РНК, подавляющие работу определённых генов.
• Белки-регуляторы, поддерживающие своё собственное производство: однажды включившись, такая система удерживает клетку в выбранном состоянии.

Вместе это и есть эпигенетическая настройка: наследуемая при делениях клетки информация, не записанная в последовательности ДНК. Специализация клетки — это устойчивая эпигенетическая настройка, а не изменение генов.

Что должно случиться при клонировании

Цитоплазма яйцеклетки за несколько часов должна «переписать» эту настройку: деметилировать ДНК там, где метки мешают, переставить метки гистонов, разобрать гетерохроматин, запустить гены раннего зародыша. В норме такая перезагрузка происходит дважды — при образовании половых клеток и в раннем зародыше, — и занимает она не часы, а длительное время, с участием специальных механизмов.

Отсюда понятны две вещи. Во-первых, почему клонирование вообще работает: механизмы перезагрузки у яйцеклетки есть. Во-вторых, почему оно работает плохо: механизмы рассчитаны на ядро сперматозоида и собственное ядро яйцеклетки, а не на ядро клетки вымени со всей её настройкой.

Импринтинг

Особый случай — геномный импринтинг: примерно сотня генов работает только в отцовской или только в материнской копии. Метки импринтинга расставляются при образовании половых клеток и не стираются при перезагрузке в зародыше — иначе развитие нарушится. При пересадке соматического ядра клетка-донор несёт метки, полученные от обоих родителей, и восстановить правильную «родительскую» картину невозможно. Поэтому у клонов особенно часто страдают признаки, зависящие от импринтированных генов: масса плода, развитие плаценты.

Полезное следствие для понимания: именно импринтинг объясняет, почему у млекопитающих не бывает естественного партеногенеза — зародыш с двумя материнскими наборами хромосом не развивается, ему не хватает «отцовских» настроек.

17. Другой путь: индуцированные плюрипотентные клетки

Пересадка ядра — не единственный способ вернуть клетку к эмбриональному состоянию. В 2006 г. Синъя Яманака показал, что того же можно добиться, введя в клетку всего четыре гена-регулятора, кодирующих белки, которые управляют работой многих других генов. Клетки кожи превращались в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS), неотличимые по свойствам от эмбриональных.

Оба открытия отмечены одной Нобелевской премией 2012 г. — и это справедливо: они отвечают на один вопрос с разных сторон. Гёрдон показал, что нечто в яйцеклетке способно перепрограммировать ядро; Яманака нашёл, что именно это делает — набор белков-регуляторов, которые можно ввести напрямую.

Практический итог: для получения клеток с генотипом пациента сегодня используют iPS-клетки, а пересадку ядер оставляют для клонирования животных и для изучения самого процесса перепрограммирования.

18. Словарь темы

• Клон — генетически идентичные организмы или клетки от одного предка.
• Соматическая клетка — любая клетка тела, кроме половых.
• Энуклеация — удаление наследственного материала из яйцеклетки.
• Реконструированная яйцеклетка — яйцеклетка с пересаженным ядром соматической клетки.
• Активация — искусственный запуск развития вместо сигнала от сперматозоида.
• Перепрограммирование — возвращение ядра специализированной клетки к эмбриональному состоянию.
• Эпигенетические метки — метилирование ДНК и модификации гистонов, определяющие, какие гены работают.
• Импринтинг — работа гена в зависимости от того, от отца или от матери он получен.
• Репродуктивное клонирование — получение организма; терапевтическое — получение стволовых клеток.
• Химера — организм из клеток разных зародышей.
• iPS-клетки — плюрипотентные клетки, полученные из обычных введением генов-регуляторов.
• Ксенотрансплантация — пересадка органов между видами, например от свиньи человеку.

19. Почему это важно знать

• Пересадка ядер — один из самых ясных опытов в истории биологии: он прямо ответил на фундаментальный вопрос о судьбе генов при развитии организма.
• Тема связывает генетику, цитологию и эмбриологию: наследственная информация в ядре, роль цитоплазмы, механизмы развития.
• Она даёт материал для понимания того, что такое эпигенетика, — а это одно из ключевых понятий современной биологии.
• Здесь особенно важно отделять науку от мифов: клонирование не «копирует личность», не создаёт «людей на органы» и не делает организм бессмертным.
• Практическое значение темы — не в копировании животных, а в получении организмов с проверенными генетическими изменениями и в сохранении редких видов.

20. Свиньи для пересадки органов

Самое заметное сегодня применение клонирования — создание свиней, чьи органы могли бы пересаживать человеку. Объясним, зачем это нужно и почему здесь необходимо именно клонирование.

Задача

Органов для пересадки катастрофически не хватает: люди годами ждут почку или сердце. Органы свиньи близки по размеру и устройству к человеческим, а свиней можно разводить в нужном количестве. Препятствие — отторжение.

Почему орган свиньи отторгается

• Сверхострое отторжение. На клетках свиньи есть углеводный остаток (альфа-гал), которого нет у человека. В крови человека всегда есть готовые антитела к нему — и пересаженный орган разрушается за минуты.
• Несовместимость систем свёртывания и комплемента — белки свиньи плохо «понимают» человеческие регуляторные молекулы.
• Клеточное отторжение — реакция T-лимфоцитов.
• Вирусы, встроенные в геном свиньи (эндогенные ретровирусы) — теоретический риск заражения человека.

Как решают

В клетках свиньи в культуре редактированием генома выключают гены ферментов, создающих чужеродные углеводы, вводят гены человеческих регуляторных белков, инактивируют встроенные вирусы — всего несколько десятков изменений. Затем отбирают клетки, где все изменения сделаны правильно, и из ядра такой клетки методом пересадки ядра получают поросёнка. Без клонирования собрать столько проверенных изменений в одном животном было бы крайне трудно.

Где это сейчас

Пересадки органов таких свиней людям выполнялись единично, в безвыходных для пациентов ситуациях и со специальными разрешениями; пациенты жили от нескольких недель до нескольких месяцев. Это ещё не клиническая практика, а исследования, но направление развивается быстро. Параллельно обсуждаются этические вопросы: отношение к животным как к источнику органов, информированное согласие пациентов, риск передачи инфекций.

21. Животные-продуценты лекарств

Ещё одно практическое применение — получение лекарственных белков с молоком.

Идея. Ген нужного белка человека соединяют с регуляторным участком гена, работающего только в молочной железе (например, гена белка молока). Такую конструкцию вводят в клетки, отбирают правильные и получают из них животное методом пересадки ядра. У взрослой самки белок вырабатывается в молочной железе и выделяется с молоком, не мешая остальному организму.

Почему это выгодно. Молочная железа способна производить граммы белка на литр молока, а коза даёт сотни литров в год. Для редких болезней, где нужны килограммы белка в год на весь мир, стадо из нескольких животных заменяет большой завод с биореакторами.

Что уже применяется. Антитромбин — белок, предотвращающий тромбозы, — получают из молока трансгенных коз; препарат одобрен в 2006 г. Есть и другие одобренные препараты из молока коз и кроликов. Для белков, нужных в больших объёмах, по-прежнему выгоднее культуры клеток.

Ограничения. Долгий цикл (нужно вырастить животное), сложность очистки белка от белков молока, требования к содержанию животных и к безопасности, этические вопросы. Поэтому направление остаётся нишевым.

22. Клонирование в кино и в жизни

Мало какая биологическая тема окружена таким количеством выдумок. Разберём самые частые.

Полезное упражнение: услышав очередное сообщение о клонировании, задать три вопроса — из какой клетки брали ядро, чья была яйцеклетка и кто вынашивал. Ответы сразу показывают, о чём именно идёт речь.

23. Что впереди

• Повышение эффективности. Вещества, облегчающие перепрограммирование (например, подавляющие ферменты, удерживающие «молчащее» состояние хроматина), уже повысили выход у ряда видов — именно это помогло клонировать приматов.
• Клонирование как служебный инструмент. Основное развитие идёт не в сторону копирования животных, а в сторону получения организмов с точно отредактированным геномом.
• Сохранение видов. Расширение криобанков клеток редких животных; клонирование из них как способ вернуть в популяцию утраченные гены.
• Половые клетки из стволовых. Если из iPS-клеток научатся получать полноценные яйцеклетки и сперматозоиды, многие задачи, для которых сейчас нужна пересадка ядер, будут решаться проще.
• Изучение самого перепрограммирования. Клонирование остаётся главным «полигоном» для понимания того, как клетка стирает и восстанавливает свою эпигенетическую память; это знание нужно и регенеративной медицине, и онкологии.

Вероятнее всего, клонирование так и останется не массовой технологией, а точным инструментом: там, где нужно получить организм из единственной, тщательно проверенной клетки.

24. Что клон получает от яйцеклетки

Пересаживают ядро — значит, всё остальное клон берёт у яйцеклетки. Разберём, что именно, потому что на этом строится несколько экзаменационных вопросов.

• Митохондрии с их ДНК. У человека митохондриальная ДНК кольцевая, содержит 37 генов: 13 белков дыхательной цепи, 2 рибосомные и 22 транспортные РНК. Все они достаются клону от донора яйцеклетки. Поэтому по митохондриальной ДНК клон относится к материнской линии донора яйцеклетки, а не донора ядра.
• Запас веществ. Белки, матричные РНК, рибосомы, липиды, которые яйцеклетка накопила при созревании. На них идут первые деления дробления, пока собственные гены зародыша ещё не включились.
• Аппарат деления. Белки веретена, центросомные компоненты (у большинства млекопитающих центриоль приносит сперматозоид, но при пересадке ядра её роль берут на себя другие структуры).
• Механизмы перепрограммирования — те самые факторы, которые перестраивают ядро.
• Оболочка яйцеклетки, защищающая зародыша до имплантации.

Вклад цитоплазмы не ограничивается «питанием»: от неё зависят и само развитие, и энергетика клеток будущего организма. Известно, что сочетание ядра одной линии животных с цитоплазмой другой может сказываться на признаках потомства — это называют цитоплазматическим эффектом. У клонов его учитывают, подбирая доноров яйцеклеток.

Отсюда полезный вывод для понимания клонирования: организм строится не «по чертежу из ядра» в пассивной среде, а в результате совместной работы ядра и цитоплазмы. Яйцеклетка — не просто «контейнер», а сложнейшая машина развития, собранная за месяцы созревания.

25. Клонирование растений и животных: сравнение

Сравнение проясняет, почему у растений клонирование — обыденность, а у животных — сложнейшая операция.

Причина различий — в тотипотентности: клетка растения способна «перезапустить» себя сама, клетке животного для этого нужна цитоплазма яйцеклетки. Эволюционное объяснение простое: неподвижное растение должно уметь восстанавливаться после повреждений и размножаться вегетативно, а у подвижного животного эта способность утрачена; зато у животных развились сложная специализация тканей и надёжные механизмы, не дающие клеткам «вспоминать» другие программы, — нарушение этих механизмов ведёт к опухолевому росту.

Эта мысль полезна и на экзамене: вопрос «почему из клетки моркови растёт морковь, а из клетки мыши — нет» требует именно такого ответа, со ссылкой на тотипотентность и на роль яйцеклетки.

26. Тонкости, от которых зависит успех

Разберём несколько технических деталей — они хорошо показывают, насколько метод чувствителен к мелочам, и часто встречаются в олимпиадных вопросах.

Согласование клеточного цикла

Зрелая яйцеклетка остановлена в метафазе второго деления мейоза. Её цитоплазма содержит высокую активность белкового комплекса, который заставляет хромосомы конденсироваться. Если ввести в неё ядро клетки, находящейся в фазе удвоения ДНК, хромосомы сконденсируются «на полпути» и будут повреждены. Решения два: либо перевести донорскую клетку в состояние покоя (это и сделали авторы Долли, уменьшив содержание сыворотки в среде), либо активировать яйцеклетку до введения ядра, чтобы активность комплекса успела упасть.

Количество ДНК

Яйцеклетка, лишённая своего материала, должна получить ровно один диплоидный набор. Клетка в состоянии покоя или сразу после деления имеет именно его. Если же ядро уже частично удвоило ДНК, набор окажется избыточным, и развитие нарушится.

Повреждение веретена

При энуклеации вместе с хромосомами удаляется часть цитоплазмы, содержащая белки веретена деления. У мышей и особенно у приматов эти белки сосредоточены вокруг хромосом, поэтому их потеря критична — и именно это долго мешало клонированию обезьян. Помогли более щадящие способы энуклеации и подсветка хромосом без повреждающего ультрафиолета.

Выбор типа клетки-донора

Лучше работают клетки, ближе стоящие к стволовым: клетки яйцевода, фибробласты зародыша, клетки кумулюса (окружающие яйцеклетку). Хуже — сильно специализированные клетки. Это понятно: чем меньше «надстроено» эпигенетических меток, тем проще их стереть.

Возраст и состояние донора

Клетки, долго росшие в культуре, накапливают мутации и изменения эпигенетики; поэтому донорские клетки стараются использовать на ранних пассажах. Клетки старого животного несут больше соматических мутаций.

Помощь перепрограммированию

Добавление веществ, которые препятствуют удалению «разрешающих» меток с гистонов, заметно повышает выход у ряда видов. По сути это химическая помощь яйцеклетке в стирании памяти соматической клетки — именно такой приём помог получить клонированных макак.

Общий вывод: клонирование — не «фокус», а тонко настроенная последовательность операций, где каждая деталь имеет биологическое обоснование.

27. Тема в числах

Числа из опыта с Долли стоит запомнить: они показывают реальную цену результата и часто встречаются в заданиях на расчёт эффективности.

28. Клонирование как инструмент генной инженерии животных

Самое практически важное применение пересадки ядер — получение животных с заданными изменениями генов. Объясним, почему без клонирования это гораздо труднее.

Путь без клонирования

Классический способ — ввести ДНК прямо в оплодотворённую яйцеклетку (микроинъекция в пронуклеус). Трудности: встраивание происходит случайно, место и число копий не выбираются, у части животных ген не работает, а проверить результат можно только после рождения. Приходится получать и проверять десятки животных.

Путь с клонированием

1. Клетки животного выращивают в культуре.
2. В них вводят нужную конструкцию или вносят изменение редактированием генома.
3. Отбирают клетки, в которых изменение произошло правильно: проверяют встраивание, число копий, отсутствие нежелательных изменений. Это ключевое преимущество — работа идёт с миллионами клеток, и можно выбрать идеальную.
4. Ядро отобранной клетки переносят в яйцеклетку и получают животное, у которого нужное изменение есть во всех клетках, включая половые.

Что так получают

• Биореакторы-животные: козы, овцы и коровы, выделяющие с молоком лекарственные белки человека. Молочная железа удобна тем, что способна производить много белка, а молоко легко собирать. Первый такой препарат — антитромбин из молока коз — был одобрен в 2006 г.
• Свиньи для ксенотрансплантации: у них выключены гены, вызывающие острое отторжение органа человеком, и гены вирусов, встроенных в геном свиньи. Это направление продвинулось настолько, что начаты единичные пересадки органов свиньи людям.
• Модели болезней: свиньи и обезьяны с изменениями генов, вызывающих у человека наследственные заболевания; на них изучают течение болезни и испытывают лечение.
• Устойчивость к болезням: редактирование гена, через который вирус проникает в клетку, делает свиней устойчивыми к тяжёлой вирусной инфекции.
• Улучшение хозяйственных признаков: безрогий скот (не нужно травмирующее удаление рогов), животные с изменённым составом молока.

Таким образом, клонирование здесь — не цель, а способ «вырастить организм из проверенной клетки».

29. Этические вопросы клонирования животных

• Благополучие животных. Низкая эффективность означает множество погибших зародышей, осложнённые беременности у суррогатных матерей, гибель части новорождённых. Это главный довод против клонирования ради прихоти (например, домашних любимцев).
• Продукты от клонов. Научные оценки не находят различий между продуктами от клонированных животных и обычных; тем не менее во многих странах такие продукты не поступают на рынок — в основном по причинам общественного неприятия, а не доказанного риска. Практически клонов используют как производителей, а в пищу идёт их обычное потомство.
• Генетическое разнообразие. Массовое размножение немногих клонированных генотипов сузило бы разнообразие пород ещё сильнее, чем искусственное осеменение.
• Отношение к домашним животным. Клонирование питомца не возвращает прежнее животное; это важно объяснять людям, переживающим утрату.
• Редкие виды. Здесь доводы скорее «за»: клонирование из криобанка возвращает в популяцию утраченные гены. Но оно не заменяет охрану мест обитания.

30. Как оценивают оправданность работ с животными

Любая работа с животными в науке и производстве проходит оценку оправданности. В случае клонирования взвешивают три вещи.

• Число затронутых животных. На одного родившегося клона приходятся десятки доноров яйцеклеток и несколько суррогатных матерей, часть из которых переносит осложнённую беременность.
• Тяжесть воздействий. Гормональные обработки, операции, кесарево сечение при крупноплодии, гибель новорождённых — всё это учитывается.
• Значимость цели. Получение животного-модели для изучения тяжёлой болезни или свиньи-донора органов оценивается иначе, чем копирование домашнего любимца.

На практике это означает: эксперименты рассматривает комиссия по биоэтике, требуется обоснование, почему задачу нельзя решить иным способом, и план уменьшения страданий животных. Там, где цель — коммерческая услуга, а не научная или медицинская задача, многие специалисты считают клонирование неоправданным.

Это хороший пример того, как в современной биологии вопрос «можем ли мы» всегда дополняется вопросом «нужно ли и какой ценой».

31. Итог: что важно знать

• Клон — генетически идентичные организмы от одного предка; клонирование бывает естественным (вегетативное размножение, однояйцевые близнецы) и искусственным.
• Метод пересадки ядер: из яйцеклетки удаляют её наследственный материал (энуклеация), вводят ядро соматической клетки, активируют развитие, культивируют зародыша и пересаживают суррогатной матери.
• Опыты Бриггса и Кинга (1952) и особенно Гёрдона (1962) на амфибиях доказали, что при специализации гены не теряются.
• Долли (1996, Уилмут и Кэмпбелл) — первое млекопитающее из ядра клетки взрослого животного; из 277 яйцеклеток родился один ягнёнок.
• Цитоплазма яйцеклетки перепрограммирует ядро, стирая эпигенетические метки; делает она это неполно, отсюда низкая эффективность и аномалии развития.
• Клон не полная копия: митохондрии от яйцеклетки, эпигенетика восстанавливается неидеально, окраска и поведение зависят от случайных процессов и среды.
• Репродуктивное клонирование даёт организм; терапевтическое — стволовые клетки с генотипом пациента; клонирование человека запрещено законом.
• Главное практическое применение — получение трансгенных и отредактированных животных из проверенных клеток, а также сохранение редких видов.

32. Частые ошибки

• «Клон — точная копия организма». Клон идентичен донору по ядерным генам, но не по митохондриальной ДНК, эпигенетическим меткам, рисунку окраски, поведению и жизненному опыту.
• «У Долли была одна мать». В получении Долли участвовали три овцы: донор ядра, донор яйцеклетки и суррогатная мать.
• «При клонировании ядро вводят в оплодотворённую яйцеклетку». Ядро вводят в неоплодотворённую яйцеклетку, из которой предварительно удалён её собственный наследственный материал.
• «Клонирование — это размножение делением зародыша». Деление зародыша — отдельный приём, дающий близнецов; клонирование пересадкой ядра использует клетку взрослого организма.
• «Опыты Гёрдона доказали, что клетки взрослого животного тотипотентны». Они доказали, что ядро специализированной клетки сохраняет полный набор генов; сама клетка целым организмом стать не может — нужна цитоплазма яйцеклетки.
• «Клонирование даёт потомство без генетических изменений». Клон несёт все мутации, накопившиеся в клетке-доноре, в том числе соматические.
• «Терапевтическое клонирование — это выращивание человека на органы». Это получение линии стволовых клеток из бластоцисты; организм при этом не развивается.
• «Клонированные животные всегда быстро стареют». Это предполагали из-за болезней Долли, но наблюдения за другими клонами такого не подтвердили.
• «Клонирование запрещено полностью». Запрещено репродуктивное клонирование человека; клонирование животных и клеток законно и применяется.
• «Можно клонировать мамонта из найденной ткани». Для пересадки ядра нужна живая клетка с целым ядром; в древних остатках ДНК фрагментирована, поэтому классическое клонирование невозможно.

33. Интересные факты

• Долли назвали в честь певицы Долли Партон — потому что клетку-донор взяли из клеток вымени.
• Опыт по получению Долли был частью работ по созданию животных-продуцентов лекарственных белков, а не самоцелью: исследователям нужен был способ получать животных из проверенных клеток.
• Гёрдон в школьные годы получил крайне низкую оценку по биологии, и учитель писал, что мысль о научной карьере для него «нелепа»; Гёрдон хранил этот отзыв в рамке на столе и в 2012 г. стал нобелевским лауреатом.
• Первая клонированная кошка по кличке Карбон Копи оказалась внешне непохожей на свою «оригинальную» кошку: у трёхцветных кошек окраска зависит от случайной инактивации X-хромосомы в клетках.
• Чучело Долли хранится в Национальном музее Шотландии в Эдинбурге.
• Клонирование чёрного хорька из клеток животного, замороженных в 1980-х гг., вернуло в маленькую популяцию этого вида гены давно умершей особи — пример использования криобанка для восстановления разнообразия.
• Клонированные макаки получили клички, означающие по-китайски «китайский народ»: их получение заняло годы и потребовало применения веществ, облегчающих перепрограммирование ядра.
• В спортивном коневодстве клонирование выдающихся меринов (кастрированных жеребцов, не оставляющих потомства) позволяет вернуть их гены в разведение — через клонов, способных размножаться.
• В Южной Корее работает коммерческая лаборатория, клонировавшая сотни собак — от домашних любимцев до служебных собак, отобранных по рабочим качествам.
• Первым клонированным животным, попавшим в Книгу рекордов как «копия» выдающегося производителя, стал бык; его клоны используются в разведении, а в пищу идёт обычное потомство.
• Яйцеклетку для клонирования часто берут с бойни: яичники забитых коров — доступный источник сотен яйцеклеток, которые доращивают в культуре.

34. Частые вопросы

Почему ядро нужно пересаживать именно в яйцеклетку?

Только цитоплазма зрелой яйцеклетки содержит набор белков и РНК, способных перепрограммировать ядро: разобрать хроматин, стереть эпигенетические метки, запустить программу раннего развития. Ни одна другая клетка этого не умеет. Кроме того, яйцеклетка содержит запас веществ, необходимый для первых делений.

Зачем удалять ядро яйцеклетки?

Иначе в зародыше окажется двойной набор наследственного материала — от яйцеклетки и от пересаженного ядра. Развитие при этом нарушается, а полученное животное не было бы копией донора.

Почему клонирование так неэффективно?

Главная причина — неполное и ошибочное перепрограммирование ядра: цитоплазма за несколько часов должна проделать работу, на которую в норме уходит весь процесс образования половых клеток. Нарушается, в частности, импринтинг, что ведёт к патологиям плаценты и плода. Добавляются повреждения при микроманипуляциях и несовпадение стадий клеточного цикла.

Можно ли клонировать животное из любой клетки?

Из любой живой клетки с ядром — теоретически да, но эффективность зависит от типа клетки. Лучше работают клетки с меньшей степенью специализации и клетки, переведённые в состояние покоя. Из клеток без ядра (зрелые эритроциты млекопитающих) и из погибших клеток — нельзя.

Клон и однояйцевый близнец — одно и то же?

Биологически они схожи: и те и другие генетически идентичны. Но близнецы развиваются одновременно, имеют одинаковую митохондриальную ДНК и одинаковый эпигенетический старт, а клон рождается позже, несёт митохондрии донорской яйцеклетки и эпигенетические следы перепрограммирования.

Зачем клонировать, если есть искусственное осеменение и пересадка зародышей?

Эти методы размножают генотипы, которые ещё только предстоит собрать при скрещивании. Клонирование копирует уже существующий, проверенный генотип целиком — и, главное, позволяет получить животное из клетки, в которой заранее сделано и проверено генетическое изменение.

Что такое энуклеация и как её контролируют?

Удаление собственного наследственного материала яйцеклетки микропипеткой. Контролируют, подсвечивая ДНК флуоресцентным красителем или используя оптику, позволяющую видеть веретено деления: после процедуры проверяют, что хромосомы удалены полностью.

Почему клонирование приматов удалось так поздно?

У приматов при энуклеации вместе с хромосомами удаляются важные белки веретена деления, а эпигенетические препятствия перепрограммированию выражены сильнее. Успех 2018 г. обеспечили усовершенствованная техника и вещества, снимающие часть этих препятствий [6].

35. ЕГЭ

Тема относится к элементу 3.7 кодификатора [1]: «Реконструкция яйцеклеток и клонирование животных. Метод трансплантации ядер клеток». Она связана с разделами о строении клетки (где хранится наследственная информация), об индивидуальном развитии, о бесполом размножении и о биотехнологии в целом.

Что обязательно знать

• Определения: клон, клонирование, пересадка (трансплантация) ядра, энуклеация.
• Схему получения Долли и роль каждой из трёх овец.
• Что доказывают опыты по пересадке ядер: гены при специализации не утрачиваются.
• Почему клон не является полной копией.
• Отличие репродуктивного клонирования от терапевтического.
• Примеры естественного клонирования.

Разбор типичных формулировок

«Установите последовательность этапов клонирования животного». 1) Выращивание клеток донора в культуре; 2) удаление ядра из яйцеклетки; 3) введение ядра соматической клетки в яйцеклетку; 4) активация развития; 5) культивирование зародыша; 6) пересадка зародыша суррогатной матери.

«Выберите три верных утверждения о клонировании». Верные: клон генетически идентичен донору ядра; ядро пересаживают в яйцеклетку, лишённую своего ядра; клонирование позволяет получать животных с заранее внесёнными изменениями генов; митохондрии клон получает от яйцеклетки. Ловушки: «клон — точная копия во всём», «ядро вводят в зиготу», «клонирование повышает генетическое разнообразие».

Часть 2: «Почему овца Долли была похожа на овцу-донора ядра, а не на суррогатную мать?» Элементы ответа: 1) наследственная информация содержится в ядре клетки; 2) Долли развилась из яйцеклетки, в которую было пересажено ядро клетки вымени овцы-донора, а собственное ядро яйцеклетки удалено; 3) суррогатная мать лишь выносила зародыша и не передала ему своих генов; 4) поэтому Долли имела признаки породы донора ядра.

Часть 2: «Что доказали опыты по пересадке ядер соматических клеток?» Элементы: 1) ядра специализированных клеток содержат полный набор генов; 2) при дифференцировке гены не утрачиваются, меняется лишь их активность; 3) цитоплазма яйцеклетки способна перепрограммировать ядро и вернуть его к эмбриональному состоянию.

36. Для олимпиад

Эффективность в числах

В опыте с Долли: 277 реконструированных яйцеклеток → 29 бластоцист, пригодных для переноса (10,5 %) → 1 живой ягнёнок (0,36 % от исходного числа и 3,4 % от числа перенесённых зародышей). Сравните с обычным осеменением, где из перенесённых зародышей приживается больше половины: разница на порядок и более.

Задача. Если эффективность «от яйцеклетки до живого животного» составляет 2 %, сколько яйцеклеток нужно, чтобы получить с вероятностью 95 % хотя бы одно животное? Вероятность неудачи в одной попытке 0,98; нужно 0,98ⁿ ≤ 0,05 → n ≥ ln 0,05 / ln 0,98 ≈ 3/0,0202 ≈ 148 яйцеклеток. Отсюда понятно, почему для клонирования нужны сотни яйцеклеток и десятки суррогатных матерей.

Сколько генов «чужих» у клона

Митохондриальная ДНК человека содержит 37 генов, ядерная — около 20 тысяч белок-кодирующих. Значит, доля генов, полученных клоном не от донора ядра, составляет примерно 37/20 000 ≈ 0,2 %. Казалось бы, мало. Но митохондриальные гены отвечают за дыхательную цепь, а значит, за энергетику каждой клетки; кроме того, именно по ним определяют материнские линии. Поэтому клон строго говоря не является генетической копией.

Почему состояние клеточного цикла имеет значение

Зрелая яйцеклетка находится в метафазе II мейоза; её цитоплазма содержит высокую активность фактора, вызывающего разрушение ядерной оболочки и конденсацию хромосом. Если ввести ядро клетки, находящейся в фазе синтеза ДНК, хромосомы окажутся частично удвоенными и при конденсации повредятся («преждевременная конденсация хромосом»). Поэтому донорские клетки переводят в состояние покоя или используют яйцеклетки с пониженной активностью этого фактора. Именно это согласование стало ключевым приёмом, позволившим получить Долли.

Эпигенетика и импринтинг

Около сотни генов у млекопитающих импринтированы: работает только отцовская или только материнская копия, в зависимости от меток, расставленных при образовании половых клеток. При пересадке ядра соматической клетки эти метки не переустанавливаются как положено, и соотношение работающих копий нарушается. Многие импринтированные гены управляют ростом плода и плаценты — отсюда «синдром крупного потомства» у клонированных телят и ягнят. Это объясняет, почему именно поздние сроки беременности оказываются критическими.

Вопрос на понимание

Почему клонирование не увеличивает генетическое разнообразие популяции, даже если клонировать много разных животных? Ответ: оно лишь копирует уже имеющиеся генотипы, не создавая новых сочетаний, — в отличие от полового размножения с его комбинативной изменчивостью. Исключение — клонирование из криобанка давно умерших особей: оно возвращает в популяцию аллели, которые были утрачены, и в этом смысле восстанавливает разнообразие.

37. Задания с разбором

Задание 1

Что такое клон и клонирование? Приведите два примера естественного клонирования.

Задание 2

Опишите основные этапы получения овцы Долли.

Задание 3

Сколько овец участвовало в получении Долли и какова роль каждой?

Задание 4

Что доказали опыты Дж. Гёрдона по пересадке ядер у амфибий?

Задание 5

Почему при пересадке ядра из яйцеклетки удаляют её собственный наследственный материал?

Задание 6

Назовите не менее трёх причин, по которым клон не является полной копией донора.

Задание 7

Чем репродуктивное клонирование отличается от терапевтического?

Задание 8

Найдите ошибки и исправьте: 1) Ядро соматической клетки пересаживают в оплодотворённую яйцеклетку. 2) Долли была генетической копией суррогатной матери. 3) Клонирование позволяет получать животных с заранее проверенными изменениями генов. 4) Эффективность клонирования близка к 100 %. 5) Опыты Гёрдона проведены на амфибиях.

Задание 9

Почему клонирование особенно удобно для получения трансгенных животных?

Задание 10

Что такое энуклеация яйцеклетки и как её выполняют?

Задание 11

Почему после введения ядра зародыш нужно активировать?

Задание 12

Приведите не менее трёх применений клонирования животных.

Задание 13

Почему клонирование сопровождается высокой гибелью зародышей и плодов?

Задание 14

Что такое химеры и чем они отличаются от клонов?

Задание 15

Почему из найденных остатков мамонта нельзя получить животное методом пересадки ядра?

Задание 16

Как клонирование помогает сохранять редкие виды и в чём его ограничения?

Задание 17

Почему при клонировании важно состояние клеточного цикла донорской клетки?

Задание 18

Почему репродуктивное клонирование человека запрещено?

Задание 19 (олимпиадное)

В опыте получено 300 реконструированных яйцеклеток; 12 % развились до бластоцисты, из перенесённых бластоцист 25 % дали беременность, а 60 % беременностей завершились рождением живого детёныша. Сколько животных получено? Какова общая эффективность? Сколько яйцеклеток понадобилось бы для получения 10 животных?

Задание 20 (олимпиадное)

Объясните, почему у клонированного животного митохондриальная ДНК не совпадает с ДНК донора ядра. Как это можно использовать для проверки происхождения клона? Что произойдёт, если яйцеклетку взять у близкой родственницы донора по материнской линии?

Литература

1. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
2. Briggs R., King T. J. Transplantation of living nuclei from blastula cells into enucleated frogs’ eggs // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1952. Vol. 38, № 5. P. 455–463. DOI: 10.1073/pnas.38.5.455.
3. Gurdon J. B. The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles // Journal of Embryology and Experimental Morphology. 1962. Vol. 10, № 4. P. 622–640. DOI: 10.1242/dev.10.4.622.
4. Wilmut I., Schnieke A. E., McWhir J., Kind A. J., Campbell K. H. S. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells // Nature. 1997. Vol. 385, № 6619. P. 810–813. DOI: 10.1038/385810a0.
5. Wilmut I., Beaujean N., de Sousa P. A. et al. Somatic cell nuclear transfer // Nature. 2002. Vol. 419, № 6907. P. 583–587. DOI: 10.1038/nature01079.
6. Liu Z., Cai Y., Wang Y. et al. Cloning of macaque monkeys by somatic cell nuclear transfer // Cell. 2018. Vol. 172, № 4. P. 881–887. DOI: 10.1016/j.cell.2018.01.020.