Клонирование: биологические механизмы и методы

Клонирование — это процесс получения genetically идентичных копий биологических объектов (генов, клеток, тканей, органов или целых организмов) естественным или искусственным путём. В широком смысле клонирование воспроизводит в потомстве точную генетическую копию исходного организма или его части. Естественным аналогом клонирования является вегетативное размножение растений, образование однояйцевых близнецов у животных и деление клеток при митозе. Искусственное клонирование осуществляется лабораторными методами, среди которых наибольшую известность получила технология переноса ядра соматической клетки.

Естественное клонирование

В природе клонирование встречается повсеместно. Бактерии размножаются простым делением клетки, в результате которого образуются генетически идентичные дочерние клетки — клоны. Дрожжи и многие одноклеточные эукариоты размножаются почкованием или делением. У многоклеточных организмов естественное клонирование наблюдается при вегетативном размножении: например, земляника образует усы, дающие начало новым растениям, а картофель размножается клубнями. Каждый такой новый организм является генетической копией материнского.

У животных естественным клонированием считается образование однояйцевых (монозиготных) близнецов, когда одна оплодотворённая яйцеклетка на ранней стадии делится на два или более эмбрионов. Также к естественным клонам относят некоторых беспозвоночных, например гидр, которые способны регенерировать целый организм из фрагмента тела. Регулярное бесполое размножение путём партеногенеза (развитие яйцеклетки без оплодотворения) у некоторых ящериц, насекомых и ракообразных также приводит к образованию клонов.

Искусственное клонирование

Искусственное клонирование подразделяется на несколько направлений в зависимости от объекта: молекулярное (клонирование ДНК), клеточное, тканевое и репродуктивное клонирование целых организмов.

Молекулярное клонирование

Молекулярное клонирование — это набор методов молекулярной биологии, позволяющих получить множество идентичных копий фрагмента ДНК. Процесс происходит следующим образом: фрагмент ДНК, содержащий интересующий ген, встраивают в вектор — обычно плазмиду (кольцевую молекулу ДНК бактерии). Полученную рекомбинантную плазмиду вводят в бактериальные клетки (например, кишечную палочку), которые затем размножаются. При каждом делении бактерии копируется и встроенный фрагмент ДНК. Таким образом за короткое время получают миллионы копий нужного гена. Этот метод лежит в основе генной инженерии и производства рекомбинантных белков, включая инсулин.

Клеточное клонирование

Клеточное клонирование предполагает получение линии генетически идентичных клеток из одной исходной клетки. В лабораторных условиях клетки животных или растений культивируют на питательных средах, стимулируя их деление. Такой подход используется для изучения клеточных процессов, тестирования лекарств и в регенеративной медицине. Клеточное клонирование также применяется в растениеводстве для размножения ценных сортов: из кусочка ткани растения (экспланта) на среде с фитогормонами получают каллус, из которого затем развиваются целые растения-клоны.

Репродуктивное клонирование

Репродуктивное клонирование — это создание целого организма, генетически идентичного донору. Основным методом является перенос ядра соматической клетки (somatic cell nuclear transfer, SCNT). Процесс включает несколько этапов:

1. Извлечение яйцеклетки. У самки-донора извлекают зрелую яйцеклетку (ооцит).
2. Энуклеация. Из яйцеклетки удаляют собственное ядро, содержащее генетический материал, оставляя цитоплазму с органеллами.
3. Перенос ядра. В энуклеированную яйцеклетку вводят ядро соматической клетки (например, фибробласта) особи, которую хотят клонировать.
4. Активация. Клетку стимулируют к делению с помощью электрического импульса или химических веществ, имитируя оплодотворение.
5. Культивирование эмбриона. Развивающийся эмбрион выращивают в лабораторных условиях до стадии бластоцисты.
6. Имплантация. Эмбрион переносят в матку суррогатной матери, где происходит его дальнейшее развитие.

Впервые успешное репродуктивное клонирование млекопитающего из соматической клетки было осуществлено в 1996 году в Рослинском институте (Шотландия) — так появилась овца Долли. Для её создания использовали ядро клетки молочной железы взрослой овцы. Долли прожила около шести лет и родила нескольких здоровых ягнят, однако страдала от раннего артрита и лёгочных заболеваний, что породило дискуссии о преждевременном старении клонированных животных.

Впоследствии методом SCNT были клонированы мыши, коровы, свиньи, козы, лошади, собаки, кошки и другие виды. Эффективность метода остаётся низкой: лишь небольшой процент перенесённых эмбрионов развивается до рождения, а многие клоны погибают на ранних стадиях или страдают от аномалий развития, связанных с неполным перепрограммированием эпигенетических меток.

Терапевтическое клонирование

Терапевтическое клонирование преследует цель не создание целого организма, а получение эмбриональных стволовых клеток, генетически идентичных пациенту. Процесс аналогичен репродуктивному клонированию до стадии бластоцисты, однако эмбрион не имплантируется в матку, а используется для выделения стволовых клеток. Эти клетки теоретически могут быть дифференцированы в различные ткани для трансплантации без риска иммунного отторжения. На практике терапевтическое клонирование сталкивается с техническими трудностями и этическими ограничениями; во многих странах, включая Россию, создание эмбрионов человека для исследовательских целей запрещено или строго регулируется.

Методы, альтернативные SCNT

Помимо переноса ядра соматической клетки, существуют другие подходы к клонированию. К ним относятся:

• Разделение эмбрионов — искусственное разделение раннего эмбриона на несколько частей, каждая из которых развивается в полноценный организм. Этот метод применяется в животноводстве для получения однояйцевых близнецов.
• Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки — не являются клонированием в строгом смысле, но позволяют получать клеточные линии, генетически идентичные донору, без использования яйцеклеток.
• Клонирование генов с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) — метод амплификации ДНК, позволяющий in vitro получить множество копий конкретного участка без использования клеток.

Применение

Клонирование находит применение в нескольких областях. В сельском хозяйстве клонирование используется для воспроизводства высокопродуктивных племенных животных, а также для сохранения исчезающих видов. В медицине молекулярное клонирование лежит в основе производства вакцин, гормонов, факторов свёртывания крови и моноклональных антител. Клеточное клонирование применяется в регенеративной медицине и фармакологии при тестировании препаратов. В научных исследованиях клонирование позволяет создавать модельные организмы с заданными генетическими модификациями, например нокаутных мышей для изучения функций генов.

Этические и правовые аспекты

Клонирование человека вызывает серьёзные этические дискуссии. Репродуктивное клонирование человека запрещено законодательством большинства стран, включая Россию (Федеральный закон № 54-ФЗ «О временном запрете на клонирование человека» от 20 мая 2002 года). Основные опасения связаны с низкой эффективностью метода, высоким риском аномалий развития, нарушением человеческого достоинства и возможностью злоупотреблений. Терапевтическое клонирование также ограничено, поскольку предполагает уничтожение эмбрионов на ранних стадиях развития. В то же время клонирование животных и клеточных линий в большинстве стран разрешено и регулируется специальными нормативными актами.

Источники

• Федеральный закон от 20.05.2002 № 54-ФЗ «О временном запрете на клонирование человека»
• Campbell K. H. S., McWhir J., Ritchie W. A., Wilmut I. Sheep cloned by nuclear transfer from a cultured cell line // Nature. — 1996. — Vol. 380.
• Генетика: учебник для вузов / под ред. В. И. Иванова. — М.: Академкнига, 2006.
• Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell. — 6th ed. — Garland Science, 2014.