Мы мечтаем жить вечно. Надеемся, что сможем клонировать любимого домашнего питомца, как это произошло с овечкой Долли. Хотим прогуляться по «парку юрского периода», посмотреть на динозавров и мамонтов, увидеть вымерших моа, дронтов и других существ.
Бет Шапиро — профессор факультета экологии и эволюционной биологии Университета Санта-Круз в Калифорнии — рассказывает нам увлекательную историю современной науки воссоздания видов.
Как только любой организм умирает, его ДНК тут же начинает разрушаться под воздействием ультрафиолета и бактерий, поэтому нельзя просто так взять клетку и клонировать вымершее животное. Исследователям приходится заниматься сложной задачей — они пытаются сложить пазл, в котором часть кусочков ДНК потерялась.
Давайте разбираться, нужно ли нам возрождать исчезнувшие виды (Бет Шапиро уверена, что стоит), какие трудности ожидают нас на этом пути и к чему это может привести.
Отрывок
СОЗДАЕМ КЛОНА
Когда вы работаете в тундре, никому нет дела до того, что вы фальшиво поете во весь голос, прогуливаясь вдоль извилистой реки. Никто не смеется над пятью слоями одежды, надетыми на вас, и не подшучивает над разнообразием сеток, которыми вы опутали себя в последней обреченной попытке не подпустить комаров к своему телу. Никто и ухом не ведет, когда ваш видавший виды вертолет Ми-8 совершает неожиданную посадку посреди сибирской тундры, чтобы подобрать франкоговорящую пару с пятилетним ребенком и большим красным холодильником.
Всему этому я научилась летом 2008 года, во время того, что я с нежностью вспоминаю как свой самый странный и наименее успешный сезон охоты за костями. Тем летом мы провели несколько недель в маленьком лагере, окруженном озерами, в низинной тундре полуострова Таймыр. Мы охотились на мамонтов.
Руководил экспедицией на Таймыр Бернар Бьюиг, бывалый и в хорошем смысле эксцентричный исследователь Арктики, и причин считать, что мы потерпим неудачу, не было. На протяжении десятилетий Бернар возглавлял компанию «Церполекс» (от франц. CERcles POLaires EXpédition) и руководил сухопутными экспедициями по Сибири и на Северный полюс. Эти экспедиции начинались на его хорошо оборудованной базе в Хатанге, небольшом российском городе, стоящем на реке Хатанге в Красноярском крае. К началу 2000-х Бернар переключился на экспедиции, имеющие более научный характер, и основал при «Церполексе» организацию Mammuthus (лат. «мамонт»), заявленной целью которой было исследование и прославление Арктики и ее многочисленных сокровищ. Однако, как намекает название этой организации, в центре ее особого внимания был поиск мумифицированных останков мамонтов и содействие их исследованию. Образование компании Mammuthus было либо предприимчивым шагом, либо просто очень своевременным, поскольку с начала этого столетия мумии мамонтов и других древних гигантов ледникового периода стали обнаруживаться в вечной мерзлоте Сибири на удивление часто.
Повстречавшись с Бернаром, нельзя было не увериться как в его лидерских качествах, так и в успехе экспедиции. К 2008 году Бернар имел десятки лет опыта работы в сибирской тундре. Он обладал неисчерпаемой энергией и энтузиазмом, был хорошо знаком с трудностями логистики при работе в Сибири (и знал способы обойти эти трудности), а также владел большой коллекцией теплых курток. Что важнее всего, он долго сотрудничал с местным населением, и это некоторым образом объясняет, почему он так часто первым получал доступ к недавно обнаруженным мумиям мамонтов. Все указывало на то, что экспедиция должна увенчаться успехом.
Наше приключение началось в сибирском доме Бернара в Хатанге. Хатанга — необычное место. Это одна из самых северных точек в мире, где живут люди. Хотя население города составляет менее 3,5 тысячи человек, там есть аэропорт, гостиница и музей природы и этнографии, полный экспонатов, связанных с людьми, живущими в этой местности, и ее историей. В Хатанге также есть несколько ресторанов, где подают мясо местных животных, приправленное укропом, и несколько маленьких магазинчиков, где продается морковь с признаками обморожения по цене 8 долларов, полуавтоматические пулеметы и причудливое разнообразие ароматизированной жевательной резинки. Дороги и речные берега усыпаны незнакомыми механизмами, некоторые из них, возможно, все еще работают. Люди там живут где угодно — и в маленьких деревянных хижинах, и в больших многоквартирных домах и даже транспортных контейнерах — тех, которые используются на судах-контейнеровозах для перевозки грузов через океан. Даже дом Бернара частично состоял из транспортных контейнеров, соединенных вместе и, предположительно, хорошо изолированных от внешней среды. В конце концов, город располагается на 71 градусе северной широты, и зимы в Хатанге темные и холодные, со среднемесячной минимальной температурой около –35 °C и полным отсутствием солнечного света в течение многих дней в декабре и январе. Правда, мы находились там с июля по август, и температура воздуха колебалась в приемлемых пределах 5–15 °C, а солнце светило круглые сутки. Разумеется, вокруг кружило несколько комаров, портя в остальном прекрасную атмосферу. Точнее, несколько сотен комаров.
На кубический сантиметр воздуха.
В нашей экспедиции участвовали Бернар, его жена Сильвия и их двадцатилетний племянник Питу, несколько русских, работавших на Бернара, французская женщина-режиссер и ее бойфренд, а также целое собрание ученых с самыми разнообразными интересами, касающимися животных ледникового периода. Самым старшим ученым в нашей группе был Дэн Фишер, специалист по изучению мамонтов и профессор Мичиганского университета. Дэн — мировой эксперт в своей области: исследуя паттерны роста мамонтовых бивней, он может определить пол, репродуктивную историю, образ жизни и даже причины смерти животного. Дэн тоже измеряет количество стабильных изотопов химических элементов, углерода и азота, накапливавшихся в бивне мамонта по мере его роста. Эти изотопы образуют почти непрерывную запись изменений в рационе мамонта и в окружавшей его среде. С нами также работали Адам Раунтри и Дэвид Фокс, ранее обучавшиеся под руководством Дэна. Наконец, среди нас было двое исследователей, интересующихся ДНК: я и Иэн Барнс, который в то время преподавал в колледже Ройял-Холлоуэй в Лондонском университете, но я познакомилась с ним во времена, когда трудилась над своей диссертацией в Оксфордском университете.
Дэн, Дэвид и Адам мечтали найти бивни, мы же с Иэном надеялись на кости мамонтов. Бивни лучше подходят для изотопного анализа, но в них содержится очень мало ДНК. Нас с Иэном, кроме того, интересовали все животные, обитавшие на Таймыре в периоды оледенения, так что мы не были строго сосредоточены на сборе мамонтовых костей.
По причинам, оставшимся для меня загадкой, и несмотря на обещания, данные Бернару еще до нашего прибытия в Хатангу, вертолета нам пришлось ждать целую неделю. Мы временно поселились у Бернара и, чтобы убить время, занялись исследованием Хатанги. Мы примерили на себя множество теплых курток и противомоскитных приспособлений. Мы бродили по улицам, дразня местных собак и пытаясь разгадать предназначение разнообразных механизмов. Мы устанавливали ловушки для насекомых и определяли виды тех, которые туда попались. Мы просверлили отверстия в нескольких костях из коллекции Бернара для нашей съемочной группы и на благо будущих исследовательских проектов. Пока мы ожидали, Бернар организовывал и был вовлечен в одну за другой встречи с его группой российских ученых и специалистов по логистике. Эти собрания были яркими и волнующими: гигантские карты не помещались на столах, разговоры переходили на повышенный тон, проводились сверки со старыми научными документами, описывающими географические пределы прошлых оледенений, водка лилась в стаканы и строился план будущей экскурсии.
Наконец, вертолет прибыл и настала пора вылетать в поле. Мы собрали еду, горючее и вещи и отправились из дома Бернара прямо в аэропорт. Мы пробрались через контроль безопасности на взлетную полосу и встретились лицом к лицу со своим следующим транспортным средством: всеми любимым вертолетом Ми-8. Около четверти пространства в нем уже занимали два огромных газовых баллона. Пробираясь мимо баллонов, мы забросили внутрь свое походное снаряжение, камеры и осветительные приборы для съемок, две большие надувные лодки и два подвесных мотора мощностью в 250 лошадиных сил каждый, запасы риса и неизвестной сублимированной еды, достаточные, чтобы прокормить двадцать человек в течение шести недель, гигантскую канистру бензина для готовки и водку в объеме, достаточном, чтобы ощущать счастье в течение по меньшей мере суток. В вертолете Ми-8 недоставало около трети окон, предположительно, чтобы на борту было удобнее курить.
Загрузив все свои вещи, мы забрались внутрь и устроились на лавках под окнами, а также сверху на вещах и баллонах с газом. Последним на борт поднялся Паша, пес нашего повара, годовалый сибирский хаски. Паша выражал свои опасения по поводу участия в нашей экспедиции, пытаясь слиться с покрытием взлетной полосы под трапом. Я разделяла Пашины сомнения относительно того, что лучше: быть проглоченным взлетно-посадочной полосой или подняться в небо на Ми-8. Когда стало ясно, что полоса не желает поглощать Пашу, он сбежал. Повар и один из пилотов выбрались наружу, выкурили несколько сигарет, поймали Пашу, подняли его на руках примерно до середины трапа, каким-то образом умудрились упустить его, поймали снова, усмирили в достаточной степени, чтобы дотащить до конца трапа и внести в дверь, и, наконец, мы устроились в кабине. Под радостные возгласы и отчаянный вой Паши мы оторвались от земли и полетели в сторону тундры.
Соматический ядерный перенос
Если в коллекциях по всему миру уже накоплено такое множество костей, зачем нам выбираться в поле, чтобы найти еще какие-то? Зачем иметь дело со сломанными вертолетами, золотыми рудниками, двадцатичетырехчасовым световым днем и тучами комаров? Ответ прост: лучшие кости — те, которые попали к нам прямиком из обледеневшей тундры. Мы хотим найти кости, которые ни разу не оттаивали. В них содержатся наилучшим образом сохранившиеся клетки с наилучшим образом сохранившейся ДНК.
Мы — не единственная группа ученых, проводящая свое лето в Арктике в поисках останков животных ледникового периода или болтающаяся по золотым приискам, но мне приятно думать, что у нас самый здравый подход к делу. К примеру, мы знаем, что не ищем клетки, которые можно будет клонировать. Все, что известно ученым о клонировании животных с использованием соматических клеток (то есть не являющихся ни сперматозоидами, ни яйцеклетками), говорит о том, что клонирование сработает только в том случае, если клетка содержит неповрежденный геном. Ни одной такой клетки не было обнаружено в останках вымерших животных, найденных во льдах тундры.
Разрушение ДНК начинается сразу же после смерти организма. Растительные и животные клетки содержат ферменты, задача которых — разрывать связи внутри молекулы ДНК. Эти ферменты, называемые нуклеазами, обнаруживаются в клетках, слезной жидкости, слюне, поте и даже на кончиках наших пальцев. Пока мы живем, нуклеазы критически важны для нас. Они уничтожают проникающие в наш организм патогенные микробы до того, как они причинят нам какой-либо вред. Они устраняют поврежденную ДНК, позволяя нашим клеткам починить то, что было сломано. А после смерти наших клеток нуклеазы разрушают их ДНК, так что нашему организму проще избавиться от них. Другими словами, нуклеазы эволюционировали таким образом, чтобы оставаться активными и после того, как клетка гибнет, и это плохие новости для тех, кто хочет клонировать мамонта.
В лаборатории мы не даем нуклеазам разрушать ДНК, которую мы пытаемся выделить, либо погружая свежий образец в раствор химических ингибиторов, либо подвергая его быстрой заморозке. Арктика — холодное место, но недостаточно холодное, чтобы заморозить что-то (особенно такое большое, как мамонт) достаточно быстро, чтобы защитить ДНК от распада. Вдобавок нуклеазы вырабатываются всеми живыми организмами, включая бактерии и грибы, которые колонизируют разлагающиеся тела мертвых животных. Следовательно, шанс, что геномы каких-либо клеток могут сохраниться совершенно нетронутыми в течение длительного времени после смерти, невелик. Без неповрежденного генома клонировать мамонта не получится. Точнее, не получится клонировать мамонта путем соматического ядерного переноса.
Соматический ядерный перенос — это унылое, но вполне подходящее название для процесса, благодаря которому у нас появился, в частности, самый известный клон — овечка Долли (рис. 8). Долли клонировали ученые из Рослинского института в Шотландии в 1996 году. Ученые удалили ядро — часть клетки, содержащую геном, из клетки молочной железы, взятой у взрослой овцы, и поместили это ядро в подготовленную яйцеклетку другой взрослой овцы. Затем эта яйцеклетка развилась в матке еще одной взрослой самки в совершенно здоровую особь своего вида. Важно отметить, что овца, клонированная путем ядерного переноса, была генетически идентична животному, ставшему донором клетки молочной железы, и не имела ничего общего со своей суррогатной матерью или той овцой, у которой взяли яйцеклетку.
Чтобы разобраться в хитросплетениях этого процесса, нужно узнать кое-что о клетках. Наши тела (и тела других живых организмов) состоят из клеток трех основных типов: стволовых, половых и соматических. Соматических — больше всего, к ним относятся клетки кожи, мышечные клетки, клетки сердца и т.д. Соматические клетки имеют диплоидный набор хромосом, — это означает, что в них содержится по две копии каждой хромосомы — одна от матери и одна от отца. Соматические клетки также имеют специализацию — это могут быть клетки , клетки крови или клетки молочной железы, подобные тем, которые использовали при создании Долли. Еще одна категория клеток — это первичные половые клетки (гоноциты), из которых образуются гаметы — сперматозоиды и яйцеклетки. Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом, то есть в них содержится только одна копия каждой хромосомы. При нормальном половом размножении две гаплоидные гаметы сливаются в момент оплодотворения, образуя диплоидную зиготу, из которой затем развивается эмбрион.
При ядерном переносе этап оплодотворения и слияния гамет опускается. Вместо этого происходит процесс, называемый энуклеацией, в ходе которого удаляется гаплоидный геном яйцеклетки. Затем на его место помещается диплоидное ядро соматической клетки (в случае Долли — клетки молочной железы).
При нормальном половом размножении млекопитающих зигота, образовавшаяся при оплодотворении, содержит клетки, не имеющие никакой специализации. Такие неспециализированные клетки относятся к третьей категории и называются стволовыми. Стволовые клетки, из которых состоит зигота на раннем этапе своего развития, называют тотипотентными, потому что они могут превратиться в клетки любого типа и, следовательно, способны дать начало целому живому организму. По мере дальнейшего развития зародыша клетки размножаются и начинают дифференцироваться, то есть выполнять более специализированные функции в организме. На одном из самых ранних этапов развития зародыша тотипотентные стволовые клетки теряют свою способность превращаться в клетки любого типа, но все еще не имеют четкой специализации. Теперь эти клетки называются плюрипотентными. Плюрипотентные стволовые клетки млекопитающих, к примеру, могут превращаться в клетки любого типа, кроме плацентарных.
Плюрипотентные стволовые клетки представляют особенный интерес для науки, поскольку с их помощью можно лечить людей. Когда стволовые клетки делятся, из них получаются либо другие стволовые клетки, либо специализированные соматические. Это означает, что они потенциально способны заменять собой больные или поврежденные клетки. Стволовые клетки можно обнаружить не только в развивающемся эмбрионе, но и во всех тканях взрослого организма. Стволовые клетки взрослых склонны к более высокой специализации, чем эмбриональные, но, несмотря на это, они критически важны для восстановления поврежденных тканей и их обновления. В медицинских целях зачастую берутся стволовые клетки взрослых. К примеру, кроветворные стволовые клетки могут превращаться в различные виды кровяных клеток, и их используют в лечении заболеваний крови, в том числе лейкоза.
Давайте вернемся к клонированию путем ядерного переноса. Соматические клетки, в отличие от стволовых, высокоспециализированны. Они не могут превращаться в разные типы клеток, поскольку представляют собой конечную точку процесса дифференцировки. У соматических клеток есть конкретная функция, и их клеточные механизмы приспособлены к качественному выполнению этой работы. В соматической клетке, взятой из молочной железы овцы, происходит экспрессия только тех белков, которые нужны ей, чтобы выполнять функцию клетки молочной железы, и поэтому в ней включаются только те гены, которые кодируют эти белки.
Чтобы соматическая клетка смогла превратиться в целый живой организм, она должна «забыть» все о своей специализации и дедифференцироваться. Она должна снова превратиться в эмбриональную стволовую клетку.
Хотя Долли, возможно, — самое известное животное, появившееся на свет благодаря соматическому ядерному переносу, она не была первым клоном, созданным таким образом. В 50-х и 60-х годах ХХ века Джон Гёрдон из Оксфордского университета доказал, что лягушачьи яйцеклетки развиваются в лягушек даже после того, как ядра этих клеток были изъяты и заменены ядрами соматических клеток. Хотя в те времена механизм этого явления был не очень хорошо понятен, ключевым наблюдением Гёрдона стало то, что яйцеклетка каким-то образом запускает процесс дедифференцировки соматической клетки — и последняя «забывает», каким типом клетки была до этого. В 2012 году Гёрдон получил за это открытие Нобелевскую премию совместно с Синъей Яманакой из Киотского университета. Яманака позже обнаружил, что такой же плюрипотентности (дедифференцировки соматических клеток) можно добиться in vitro, то есть в тканевой культуре в лабораторных условиях, добавив в клетку набор факторов транскрипции, представляющих собой белки, которые соединяются с определенными участками ДНК и контролируют, какие гены должны включаться и когда. Такие клетки называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPSC).
Ядерный перенос используется для клонирования овец, коров, коз, оленей, кошек, собак, лягушек, хорьков, лошадей, кроликов, свиней и многих других животных. Также набирает популярность клонирование животных со специфическими требуемыми свойствами. В интернете широко рекламируются коммерческие службы, занимающиеся клонированием домашних животных и созданием клонированного потомства лошадей-чемпионов. Первые результаты уже видны: в конце 2013 года шестилетняя лошадь Шоу Ми, клон кобылы Сэйдж, выступавшей в конном поло, стала чемпионом Тройной короны в Аргентине, возможно, тем самым возвещая наступление новой эры в разведении животных для шоу и спорта.
Однако клонирование путем ядерного переноса имеет невысокую эффективность. Долли была единственным эмбрионом из 277, созданных в Рослинском институте, который дожил до своего рождения. Кобыла по имени Прометея, первая клонированная лошадь, появившаяся на свет, была единственным эмбрионом из 841, который развился в полноценную особь своего вида. Снуппи, кобель афганской борзой, клонированный корейским ученым Хваном У Соком, стал одним из двух щенков, рожденных после того, как 1095 эмбрионов имплантировали 123 разным суррогатным матерям, и единственным, прожившим более нескольких недель. Во всех этих случаях ученые имели доступ к потенциально бесконечному числу соматических клеток, взятых у живых зверей.
Живых мамонтов не существует.
» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
Для читателей данного блога скидка 20% по купону — Мамонт
Автор: Издательский дом «Питер»
