§35. Понятие «клонирование»
Цель изучения этой темы: объяснить понятие «клонирование организмов».
Что такое вегетативное размножение у растений? Что такое почкование, фрагментация (стробиляция)? Для каких организмов характерны такие способы размножения? Как возникают однояйцовые близнецы? Как можно охарактеризовать генетически потомков, возникших в результате описанных выше способов размножения? Что вам известно о клонировании? Что вы знаете об овечке Долли?
Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 62 – учебник для 7 класса; § 58 – учебник для 8 класса.
Клонирование как биологическое понятие имеет несколько определений. Наиболее общим можно считать следующее определение клонирования: «Процесс появления нескольких генетически идентичных организмов ». При этом, каким путем появились эти генетически идентичные организмы, не уточняется. Современный человек без биологического образования под клонированием, скорее всего, представляет процесс создания целого организма животного из клеток тела его «прародителя». Тем не менее в биологии понятие «клонирование» гораздо шире. Особенно это заметно, когда биологи пользуются понятием «клон», подразумевая результат клонирования.
Молекулярное клонирование – это создание копий наследственного материала – ДНК, РНК или их фрагментов – отдельных генов. Эти процессы сходны с репликацией или транскрипцией. Как вы помните, перед созданием рекомбинантных ДНК одной из необязательных манипуляций является клонирование генов – многократное создание копий гена. Также можно сказать, что после заражения клетки вирусом происходит многократное клонирование генома вируса.
Клонирование бактерий или иных микроорганизмов – это результат бесполого размножения клеток. Для эукариот это результат митоза, для прокариот – простое деление перетяжкой. Причем именно митоз как гарантию получения генетически однородного потомства одной иммунной клетки ученые используют в лабораториях при создании моноклональных антител. (Речь о них пойдет далее, § 46 и 47.) Всегда ли потомство, полученное при бесполом размножении одноклеточных, будет считаться клоновым? Это будет происходить до тех пор, пока мутационный процесс не сделает потомков генетически не идентичными родительским особям (клеткам).
Клонирование растений при вегетативном размножении – один из самых древних способов клонирования, успешно применяемых человеком в своих целях. Как вы помните, если от растения отделить любой вегетативный орган (корень, стебель, лист) или его часть, а затем вырастить из него новый организм, то в результате возникнут генетически идентичные организмы, или клоны. Первое применение термина «клон» касалось именно растений, полученных таким способом. В селекции задолго до современных методов использовался термин «клоновый отбор». Это был метод, выполнявший те же функции, что и близнецовый метод в генетике человека. Благодаря данному методу выяснялось, как воздействуют на организм разные условия окружающей среды. Так, срезав с одного растения смородины 20 веточек (черенков), можно получить 20 одинаковых потомков. Если посадить их в одинаковые условия и при этом «подкармливать» разными удобрениями, то вполне можно сделать вывод о качестве удобрений, оценивая состояние исследуемых растений. Это касается не только удобрений, но и любых других условий: режима полива и (или) освещенности, состояния почвы, роли агромероприятий (рыхления, обрезки) и т. д.
Разница между клоновыми растениями также будет определяться только мутационной изменчивостью.
Любопытно, что еще Чарльз Дарвин заметил, что на одном высшем растении (плодовом дереве или кустарнике) может образоваться побег (ветка), значительно отличающийся от всего растения. Так как он верно предполагал, что «эти изменения произошли в почке, из которой развивался побег», Дарвин назвал это явление почковой изменчивостью. Это не что иное, как соматическая мутация, мутация в клетке тела, при размножении которой возникает группа клеток (ткань), несущая в себе мутантные свойства. Следовательно, у вегетативно размножаемых растений может образоваться орган – побег, развивающийся из почки. Можно срезать такой побег и, посадив его, мы получим целый мутантный организм.
Чаще всего клонирование у растений применяли для размножения наилучших растений, а не с целью ставить эксперименты.
Сейчас с появлением методов клеточных и тканевых культур клонирование проводят без участия вегетативного размножения. Подробнее о современном методе клонирования растений речь пойдет в следующем параграфе.
Клонирование как естественный процесс характерно не только для некоторых представителей царства грибов и растений, но и для отдельных видов многоклеточных беспозвоночных животных. Речь об этом пойдет в § 37–38.
Клонирование в современном понимании – это процесс получения целого взрослого организма из соматической клетки тела другого (материнского) организма.
Рис. 36. Клонирование с применением биотехнологии. Овечка (слева), развившаяся из клетки молочной железы, взятой от овцы беломордой породы и трансплантированной в овцу черномордой породы (справа) [Wilmutetal., 1997]
В 1997 г. в Шотландии под руководством доктора И. Ушмута впервые сумели произвести клон овцы по кличке Долли, точную копию ее генетической матери (рис. 36). Это было первое млекопитающее, успешно клонированное из клетки другой взрослой особи. Была использована клетка вымени самки овцы.
Технология клонирования других млекопитающих до конца не отработана, хотя исследования с тех пор ведутся постоянно. Однако уже сегодня есть методы, позволяющие с большой долей уверенности говорить, что в главном вопрос технологии решен. Опасения вызывают такие моменты, как большой процент неудач при клонировании и связанные с этим возможности появления неполноценных организмов, а также вопросы клонирования человека, отцовства, материнства, наследования, брака и т. д. Ведь, как вы понимаете, соматическая клетка, «запущенная» для размножения как первая клетка зародыша, все равно должна развиваться в организме самки, которая будет ее вынашивать и производить на свет, генетически не являясь матерью. Подробнее речь об этом пойдет в параграфах, посвященных ЭКО.
С точки зрения основных мировых религий (иудаизм, христианство, ислам) клонирование человека является или проблематичным актом, или актом, выходящим за рамки вероучения и требующим у богословов четкого обоснования той или иной позиции религиозных иерархов. В большинстве государств использование данных технологий применительно к человеку официально запрещено. Эти запреты, однако, не означают намерения законодателей воздерживаться от клонирования человека в будущем после детального изучения молекулярных механизмов взаимодействия цитоплазмы ооцита-реципиента и ядра соматической клетки-донора, а также совершенствования самой техники клонирования.
Молекулярное клонирование, клонирование микроорганизмов, клонирование растений, клонирование животных.
Знание и понимание
1. Что такое клонирование?
2. Опишите самый древний способ клонирования растений, освоенный человеком.
Применение
1. Для чего применяют клоновый отбор? Актуален ли данный метод в современной селекции и сельскохозяйственном производстве?
2. Назовите причины, по которым необходимо молекулярное клонирование. Как могут быть связаны процессы создания рекомбинантных бактериальных клеток, клонирования генов и использование моноклональных антител?
Анализ
1. Проанализируйте этапы изменений, происходящих в клетках при заражении вирусом, и процессы в период клонирования. В чем сходство этих процессов, а в чем различия?
2. Выскажите ваше мнение, почему клонирование, будучи изученным и проверенным методом, не используется широко и повсеместно.
Синтез
1. Порассуждайте, можно ли сказать, что все на сегодня существующие бактерии – клоны первых прокариот – первых настоящих живых организмов, возникших естественным путем (предположительно 3,5–4 млрд лет назад).
2. Оцените реальную ситуацию.
Методы клеточной инженерии, связанные с культивированием отдельных клеток растений и животных в питательных средах, позволили выяснить, что клетки, помещенные в питательную среду, содержащую все необходимые для жизнедеятельности вещества, способны делиться. Но клетки растений обладают еще и свойством тотипотентности (!), т. е. при определенных условиях они способны развиться до полноценного растения. Клетки животных, выращенные в пробирках до клеточных культур, – нет.
Оценка
1. Обсудите и оцените следующие события, приведенные в хронологическом порядке.
1) Первый значимый шаг на пути клонирования млекопитающих был сделан в 1987 г. В Институте биофизики клетки в подмосковном Пущине под руководством Л. Чайлахяна была клонирована мышка Машка. Ее получили из клеток эмбрионов на ранних стадиях развития. Еще до овечки Долли в Рослинском институте Яном Вилмутом были получены овечки Меган и Мораг по аналогичной технологии, использованной для получения мышки Машки.
2) В США наивысшего достижения добились в 1997 г., когда родился первый теленок по кличке Ген, полученный от клонирования особых эмбриональных клеток.
3) Начало 2000 г. поразило мировую общественность обилием сенсаций в области клонирования и биологии развития. Так, группе ученых под руководством Геральда Шаттена из Орегонского университета (Health Sciences University) в Портленде (США) удалось клонировать резус макаку Тетру. Целый организм был выращен из одной клетки тетрабластомера – ранней стадии развития зародыша, когда зигота успела поделиться митозом дважды и образовала четыре бластомера. Один из них и дал начало организму Тетры.
2. Оцените, можно ли считать перечисленные выше достижения полноценным клонированием животных (примата макаки, впоследствии и человека). Ответьте «ДА» или «НЕТ» и приведите аргументы в пользу выбранной вами позиции.