Журнал «Вокруг Света» №09 за 2007 год - Вокруг Света

Главное событие митоза — неполового деления клетки — разделение генетического материала материнской клетки между двумя дочерними

Первые шаги

Даже самые сложные существа зарождаются в виде единственной клетки, из которой строится целый организм. И то, что невозможно во взрослом состоянии, оказывается обычным делом для эмбриона. Именно эту способность и использовал Ганс Дриш. В 1892 году знаменитый немецкий эмбриолог взял оплодотворенную яйцеклетку морского ежа и, после того как она первый раз поделилась, разъединил получившиеся клетки. Из каждой половинки развилась нормальная личинка, а затем и здоровый еж. Спустя девять лет другой ученый, Ганс Шпеман , проделал то же самое с яйцеклеткой позвоночного животного — лягушки. Несколько позже Шпеман извлек ядро одной из клеток 16-клеточного зародыша и пересадил его в яйцеклетку (собственное ядро которой было предварительно разрушено), и из нее опять-таки развился нормальный организм. Шпеман надеялся, что этот опыт удастся повторить и с ядрами клеток взрослого животного, но лабораторная техника того времени была слишком груба для такой работы.

Подобные эксперименты широко развернулись только в 50—60-е годы прошлого века. В 1952 году американцы Роберт Бригс и Томас Кинг пересадили в яйцеклетки ядра клеток зародыша на одной из ранних стадий развития и вырастили здоровых лягушек. Дальше началось настоящее соревнование: нужно было взять «донорские» ядра из как можно более зрелых клеток и подвести получившийся зародыш как можно ближе ко взрослому состоянию. Так к началу 1970-х годов английским исследователям удалось получить взрослых лягушек из яйцеклеток, в которые были пересажены ядра клеток кишечника головастика. И наоборот: если донорское ядро бралось из ткани взрослой лягушки, зародыш удавалось дорастить только до стадии головастика.

Хромосома состоит из двух симметричных половинок — хроматид, которые в процессе деления расходятся по разным клеткам, а затем достраивают недостающую часть

Не осталась в стороне от этой гонки и наша страна, правда, начав с фальстарта. В конце 1940-х годов советский эмбриолог Георгий Лопашов первым разработал метод пересадки ядер в яйцеклетку лягушки. Статья была сдана в журнал в июне 1948 года, но света не увидела: грянула печально известная сессия ВАСХНИЛ, на много лет пресекшая все сколько-нибудь серьезные исследования в экспериментальной биологии. Бригсу и Кингу пришлось заново раскрывать секреты, уже раскрытые Лопашовым. Тем не менее и в последующие десятилетия наши ученые участвовали в работах по клонированию. Так, в 1987 году коллектив во главе с профессором Левоном Чайлахяном успешно клонировал лабораторную мышь. Правда, ядра были взяты опять-таки из клеток зародыша очень ранних стадий развития.

Первоначально целью этих работ было выяснить, действительно ли в каждой клетке организма сохраняется вся генетическая информация, которая была в оплодотворенной яйцеклетке (зиготе). К 1970-м годам в этом уже никто не сомневался. И тем не менее получить полноценный взрослый организм из ядра зрелой клетки взрослого животного никак не удавалось. Особенно трудно продвигались работы по клонированию млекопитающих.

Партитура для генов

Причины этих неудач отчасти выяснились, когда ученые узнали некоторую информацию о том, как работают гены в развивающемся зародыше. Как известно, ген — это участок ДНК, в котором закодирована последовательность аминокислот в определенном белке. Специальные внутриклеточные структуры рибосомы, считывая этот код, синтезируют соответствующий белок. Но считать его прямо с гена они не могут, так как ген пребывает в ядре, где никаких рибосом нет. Для синтеза белка с гена снимается «рабочая копия» — информационная (она же матричная) РНК. Она выходит из ядра в цитоплазму, где служит основой для синтеза некоторого числа белковых молекул, а затем уничтожается специальными ферментами-нуклеазами. Каждая клетка организма (за немногими исключениями вроде эритроцитов, лишенных ядра) хранит все доставшиеся ему гены, но матричные РНК снимаются лишь с немногих — тех, чьи белки нужны в данный момент. Остальные гены «молчат».

Так вот, оказалось, что на самых ранних стадиях развития зародыша «молчат» все его гены. Они в это время спешно удваиваются, чтобы тут же, плотно упаковавшись в хромосомы, разойтись по делящимся клеткам и снова приступить к удвоению. Между делениями клетки практически не растут, но какие-то белки в них все-таки синтезируются. Этот процесс обеспечивают матричные РНК, наработанные яйцеклеткой еще до оплодотворения.

Ученые до сих пор не разгадали, какой фактор в определенный момент включает синтез матричных РНК на генах зародыша и как он узнает, что момент настал. Но рано или поздно собственные гены зародыша прерывают бездействие и направляют в цитоплазму свои РНК. У большинства животных это происходит на стадии гаструляции (процесс в развитии многоклеточных организмов, приводящий к образованию зародыша с двухслойной, а у большинства затем и трехслойной стенкой тела). У млекопитающих включение собственных генов происходит значительно раньше: так, например, у мышиного зародыша некоторые гены включаются уже после первого деления зиготы.

Обратите внимание: «молчание» прерывают именно некоторые, строго определенные гены. Потом к ним добавляются другие — строго определенные, за ними — третьи, четвертые… Все это напоминает игру огромного оркестра, где каждый инструмент вступает строго в свой черед и ведет свою партию, сообразуясь с игрой остальных.

И как же в таком случае выглядит пересадка ядра зрелой клетки в зиготу? Представьте себе: вот-вот должна начаться увертюра, дирижер поднял палочку, скрипачи заносят смычки, и тут вдруг появляется другой, играющий середину произведения. Музыканты первого оркестра в замешательстве. Трудно представить, что такому оркестру удастся быстро собраться и начать все сначала. Вот и развитие клеток с пересаженными ядрами отличалось грубыми нарушениями, а потому и заканчивалось гибелью зародыша. И для того чтобы клонировать животных, ученым нужно было научиться как-то согласовывать, синхронизировать состояния цитоплазмы зиготы и пересаженного ядра.

Самая знаменитая овца ХХ века — Долли и ее создатель профессор Иэн Уилмут. О существовании первого в мире клонированного млекопитающего было объявлено в начале 1997 года 

Эту задачу и сумела решить группа Иэна Уилмута, обеспечив себе тем самым мировую славу. Исходной точкой работы шотландских ученых стал установленный еще в 1980-е годы факт: если культуру взрослых клеток посадить на «голодный паек» в среду, где концентрация всех питательных веществ впятеро меньше оптимальной, клетки утрачивают признаки специализации, а их ядра становятся почти неактивными. Это очень похоже на состояние зиготы. Может быть, такое ядро сумеет синхронизироваться с ее цитоплазмой?

Для опытов были выбраны клетки молочной железы взрослой овцы породы Finn Dorset. Выдержав их в бедной среде, ученые объединяли их с яйцеклетками овец породы Scottish Blackface, из которых предварительно были удалены собственные ядра. «Голодные» клетки вымени и безъядерные яйцеклетки попарно присасывали к кончику микропипетки и, когда они соприкасались, пропускали через них электрический разряд. Мембраны клеток сливались, и образовавшаяся «зигота» начинала дробиться. Некоторое время «реконструированный» зародыш развивался в пробирке или в перевязанном яйцеводе «промежуточного реципиента» (еще одной овцы), а на определенной стадии его подсаживали в матку «окончательной» суррогатной матери.

Даже при таких ухищрениях выход «продукции» оказался ничтожным: использовав 277 яйцеклеток и создав 247 «реконструированных» зародышей, группа Уилмута сумела вырастить одно-единственное животное — Долли. (Ранее, в 1993—1995 годах, рослинской команде удалось произвести на свет и дорастить до 8—9-месячного возраста двух клонированных ягнят, но источником ядер для них послужили клетки эмбрионов). Специальные анализы подтвердили: Долли есть точная генетическая копия овцы, от которой были взяты клетки молочной железы. Других генов, в том числе генов донора яйцеклетки и суррогатной матери, у нее нет. Принципиальная возможность клонирования взрослых млекопитающих была доказана.

Идентичные, но непохожие

Как и следовало ожидать, по пути, открытому Уилмутом и его сотрудниками, сразу же устремились многие. В том же 1997 году, когда шотландцы объявили о своем достижении, американские ученые получили двух клонированных макак-резусов. На следующий год команда эмбриологов Гавайского университета во главе с Рюзо Янагимачи поставила на поток клонирование мышей. Затем последовало клонирование коров, свиней, кошек, собак... Далеко не каждая попытка оказывалась удачной, но список животных, которых удалось клонировать, продолжает расти. И вместе с ним растут знания о клонированных животных и о возможностях этого метода.