Успехи генетики позволили уточнить такие понятия, как генная инженерия,
мутантный ген и клонирование.
Генная инженерия— технология или совокупность методов для целенаправленного изменения генетических программ клеток с целью придания исходным формам организмов новых свойств или создания принципиально новых форм организмов. Основной метод генной инженерии состоит в извлечении из клеток организма гена или группы генов, соединении их с определенными молекулами нуклеиновых кислот и внедрении полученных гибридных молекул в клетки другого организма.
Мутантный ген— ген, в котором произошли перестройки или нарушения порядка расположения нуклеотидов. Различают доминантные и рецессивные мутантные гены.
Клонирование— система генно-инженерных методов для получения и размножения отдельных фрагментов ДНК или всей ДНК. Применительно к организмам клонирование — это получение генетически идентичных копий конкретного организма.
Существуют два вида размножения: бесполое и половое. Бесполое размножение происходит без образования половых клеток (гамет).
При бесполом размножении образуются обычно идентичные потомки. При бесполом размножении единственным способом генетической изменчивости являются случайные мутации(лат. mutatio — изменение, перемена). Существует несколько типов бесполого размножения: деление, образование спор, почкование
и другие. Одноклеточные организмы размножаются делением: каждая особь делится на две дочерние идентичные клетки и т. д. При подходящих условиях такое бинарное деление (существует и множественное деление) приводит к быстрому росту популяции (лат. population — население, общность). У быстрорастущих бактерий размножение делением происходит через каждые 20 мин. Интервал между делением называется временем генерации (лат. generatio — рождение, происхождение, поколение). Идентичное потомство, происходящее от одной родительской особи, называ-
ется клоном (греч. klon — ветвь, отпрыск). Члены одного клона могут быть
генетически различными только в результате случайной мутации. Бесполое размножение по типу, например, бинарного деления одноклеточного организма обеспечивает ему в определенном смысле «вечное существование», поскольку механизм бинарного деления точно воспроизводит ему идентичное потомство, при отсутствии случайной мутации.
Высшие животные не способны к бесполому размножению в силу своей естественной природы. Следовательно, высшие животные не могут производить полностью идентичных особей, за исключением монозиготных близнецов. Особенность естественного наблюдаемого в природе клонирования как способа получения идентичных потомков состоит в том, что в этом биологическом процессе не используется комбинативная изменчивость, наблюдаемая при половом размножении, например, у человека: случайные комбинации генов родителей приводят к появлению потомков, имеющих признаки, которых не было
у родителей.
Изменчивость,важнейшее свойство всех живых организмов, присуще и организмам, образующим клоны. Изменчивость проявляется на нескольких уровнях: фенотипическом (ненаследственном) и генотипическом.
На фенотипическом уровне изменчивость является модификационной,
поскольку ее возможности нормированы генотипом организма. Например, два
монозиготных близнеца, живущие в разных климатических условиях, будут иметь
некоторые внешние различия: пигментация кожи, масса тела и некоторые другие. Воспитанные в разных социальных условиях монозиготные близнецы могут существенно отличаться типами социального поведения (иметь разные мотивационные и потребностные стимулы и т. п.). На генотипическом уровне изменчивость проявляется в двух формах: комбинативная и мутационная.О комбинативной изменчивости говорилось выше. Мутационнаяизменчивость происходит под влиянием внешних или внутренних факторов среды. Организмы, образованные путем клонирования, не могут не подвергаться мутационной изменчивости, например, под действием физических, химических и биологических мутаций (вирусы, паразиты и т. п.).
По причинам, которые вызывают мутации, они делятся на спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанныемутации проявляются в силу причин, которые еще плохо изучены. Индуцированные— это мутации, осуществляемые
в результате естествен-
ных или искусственно направленных воздействий мутагенных факторов. Таким
образом, понятие «идентичные потомки»,которое используется при обсуждении тематики «клонирование», имеет в основном генотипический смысл: воспроизводство множества генотипов определенного организма. В случае клонирования человека речь идет не о клонировании личности, а о копии ее генотипа, ее биологической основы.
Интерес к клонированию растений и животных сложился давно, однако первые заметные достижения в области клонирования позвоночных животных появились только во второй половине прошлого века. Этот успех во многом определялся созданием хирургического метода изъятия и трансплантации ядер клеток эукариотов: из клеток надо вначале изъять их ядра и поместить одно из них в другую клетку. Все клетки животных, человека делятся на соматические и половые. Первые содержат двойной набор хромосом, вторые — одинарный. Все клетки эукариотов имеют ядра, отделенные ядерной мембраной от других разделов клетки.
Почти 95% всей информации (ДНК) клеток животных и человека содержится в
их ядрах и лишь 5% находится вне ядра клетки. По своему физико-химическому составу клетка является вязким структурным состоянием вещества, в котором достаточно явно выделены его подструктуры. Хирургический метод, который был использован при клонировании американскими исследователями в начале 50-х годов ХХ в., представлял собой использование сверхтонкой пипетки для изъятия
и пересадки ядер клеток. Первые опыты по клонированию были связаны с изучением проблемы появления генетически однотипных близнецов, проблемы генетических возможностей так называемых специализированных клеток, составляющих основу тканей, например, организма человека. Немецкий эмбриолог X. Дриш (1867—1941) искусственным путем разделил клетки двухклеточного зародыша морского ежа и получил два генетически идентичных организма.
Важным успехом в клонировании был результат, полученный английским ученым профессором Стюардом из Корнельского университета. Он доказал, что специализированные клетки организма имеют полный генетический материал для воссоздания всего организма. Раньше считалось, что дифференциация и специализация клеток организма приводит к утрате определенных генов в их генетическом материале. Выращивая отдельные клетки съедобной части моркови (корня) в среде с нужными питательными
веществами и гормонами, он искусственным образом вызвал (индуцировал)
процесс деления этих клеток, их рост и размножение, который привел к образованию новых растений моркови. Этот результат был использован английским биологом Д. Гордоном в 1960 г. для получения генетических копий лягушки. В своем опыте Д. Гордон использовал ультрафиолетовое излучение для
изъятия ядра клетки, в которую пересаживалось ядро клетки ткани кишечника
другой лягушки.
Опыты с клонированием вначале проводились на амебах, затем на мышах, и потом шотландский ученый Уильмут в 1997 г. клонировал знаменитую овцу Долли. Кроме того, еще раньше проводились опыты по созданию генетически идентичных кроликов, свиней и коров, эти опыты продолжаются. Кратко о сути метода клонирования овцы Долли. Она появилась на свет 15 июля 1996 г., но о ней сделали сообщение лишь в 1997 г. Овца Долли является генетически идентичной своей матери. Из молочной железы ее матери была взята клетка, содержащая ядро с двойным набором хромосом. Это — специализированная или дифференцированная клетка, ядро которой содержит полную генетическую информацию о матери Долли. Затем Уильмут использовал яйцеклетку другой овцы. Яйцеклетка содержит только одинарный набор хромосом. Оплодотворенная яйцеклетка называется зиготой и содержит двойной набор хромосом (один — от мужской особи, другой от женской особи). Яйцеклетка обладает всем питательным, энергетическим ресурсом для возникновения и развития эмбриона. Таким образом, ядро с одним набором хромосом яйцеклетки другой овцы было заменено ядром неполовой клетки матери овцы Долли. Такая замена не может привести к образованию оплодотворенной клетки, т. е. зиготы.
Особенность клонирования овцы Долли состоит именно в искусственном индуцировании работы вновь образованного клеточного материала в направлении его перехода в оплодотворенную яйцеклетку, или зиготу, способную к делению, которая затем была пересажена в соответствующий орган другой овцы- реципиента(лат. rezipientis— принимающий, получающий). Как правило, деление такой яйцеклетки стимулируют электричеством. Этот метод не является простым, как может показаться: при клонировании овцы Долли было произведено
277 ядерных трансплантаций, в результате было получено 277 эмбрионов, из которых лишь 29 дожили чуть больше 6 дней, и один из полученных эмбрионов развился до пол-
ноценной овцы Долли. В феврале 2003 г. овца Долли были умерщвлена,
поскольку страдала острым инфекционным заболеванием легких.
Отличие опыта клонирования овцы Долли от клонирования лягушек Д.
Гордоном состоит в том, что вместо ядра яйцеклетки лягушки-реципиента были
«вставлены» ядра зародыша, находящегося уже на определенной стадии развития. Эти ядра заставляют работать яйцеклетку реципиента в оплодотворенном режиме. Современные методы позволяют неоплодотворенную яйцеклетку приводить в режим деления и роста, а также выделять стволовые клетки. Стволовыеклетки
— активные к делению соматические клетки, которые возникают на ранних стадиях развития эмбриона, из которых происходит развитие будущих дифференцированных клеток взрослого организма. Как было установлено в конце прошлого века, эти клетки сохраняются во взрослом организме человека, их деление приводит к замещению погибших в организме клеток.