Клонирование как бесполое размножение клеток растений и животных
Говоря о клонировании, происходящем в природе или в лаборатории, необходимо представлять себе, что вся генетическая, т.е. наследственная, информация, необходимая для роста, развития, обмена веществ и размножения организмов, передается от родителей потомству в форме дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).
См. также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.
ДНК упакована в хромосомах, которых в клетке бывает от одной у некоторых одноклеточных до нескольких десятков у высших растений и животных. Генетического материала, находящегося всего в одной хромосоме крошечного одноклеточного существа вроде амебы, достаточно для осуществления всех его жизненных функций. Однако сложно устроенному животному для этого необходимо примерно 100 000 различных генов.
Прокариоты.
Прокариоты – это самые простые по строению одноклеточные организмы типа бактерий, в клетках которых нет оформленного ядра и многих органелл, свойственных клеткам эукариотов, т.е. эволюционно более продвинутых организмов. Обычно прокариоты размножаются бесполым путем, а именно простым делением клетки надвое. В результате они образуют клоны.
См. также КЛЕТКА; РАЗМНОЖЕНИЕ.
Эукариоты и многоклеточные животные.
Эукариоты характеризуются тем, что их клетки обладают многочисленными органеллами и ядром, в котором заключены хромосомы, т.е. ДНК. Некоторые из этих организмов – одноклеточные, но в большинстве случаев это многоклеточные формы, состоящие из многих различных по структуре и функциям эукариотных клеток. Некоторые простейшие, например амебы и парамеции, способны быстро размножаться путем деления надвое.
У многоклеточных животных произошла специализация клеток и сформировались половые клетки (гаметы), предназначенные для полового размножения. У низкоорганизованных многоклеточных встречается как половое, так и бесполое размножение. С усложнением и увеличением подвижности животных половое размножение стало преобладать. Оно обеспечивает сочетание в потомстве признаков обоих родителей, т.е. исключает образование клонов.
Партеногенез.
Клонирование в природе наблюдается в случае т.н. партеногенеза, когда потомство развивается из неоплодотворенной женской гаметы (яйцеклетки). Этот процесс широко распространен среди насекомых. Поскольку родительская особь всего одна, она генетически идентична потомкам и составляет с ними клон. У млекопитающих партеногенез можно искусственно стимулировать, но эмбрион погибает на ранних стадиях своего развития.
См. также ЯЙЦО; РАЗМНОЖЕНИЕ.
Размножение растений и получение рассады.
Среди сельскохозяйственных культур вегетативно размножают, например, бананы, ананасы, виноград и землянику. Особый способ клонирования, называемый прививкой, применяют в случае плодовых деревьев, в частности пекана, яблони и персика. Черенки, вырезанные из ветвей ценного в хозяйственном отношении экземпляра (привои), приращивают к укорененным растениям (подвоям) того же вида, а иногда и другого – близкого таксономически. Привой нормально растет и приносит плоды, не уступающие по качеству тем, что развиваются на материнском дереве.
Лабораторное клонирование антител.
Все позвоночные для защиты от инфекций вырабатывают особые белки – антитела. Разработаны методы их клонирования, позволяющие получать большие количества идентичных молекул. Произведенные таким образом антитела называются моноклональными. Эти высокоспецифичные вещества используются для определения концентрации ряда белков в жидкостях тела, например белковых гормонов, или для выявления раковых клеток (и возможного воздействия на них), что очень важно в научных исследованиях, а кроме того, является относительно недорогим методом диагностики некоторых заболеваний.
Клонирование генов.
Становится известно все больше специфических генов, связанных с развитием определенных болезней. Эти гены научились выделять из организма и присоединять к ним соответствующие промоторы, т.е. участки ДНК, управляющие их работой. Получаемые генные комплексы можно клонировать несколькими способами. Один из них – полимеразная цепная реакция (ПЦР), т.е. размножение нужного участка ДНК с помощью фермента полимеразы, что позволяет удваивать количество генных копий каждые несколько минут (см. также ПОЛИМЕРАЗНАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ). Клонированные таким образом гены можно затем ввести в организм животного (получив т.н. трансгенную особь), которое в результате приобретет способность синтезировать нужное вещество, например ценный фармацевтический продукт. Трансгенные животные служат также моделями для изучения ряда тяжелых болезней человека, в частности муковисцидоза.
Клонирование млекопитающих.
Выше уже приводились примеры разных типов клонирования в природе. Если любому зверю порезать кожу, клоны новых клеток быстро приходят на смену поврежденным. Однако клонирование целых высокоорганизованных организмов – процесс гораздо более сложный, чем заживление раны.
Зачем вообще клонировать животных? Во-первых, можно было бы воспроизводить ценные с той или иной точки зрения особи, например чемпионов пород крупного рогатого скота, овец, свиней, скаковых лошадей, собак и т.п. Во-вторых, превращение обычных животных в трансгенных сложно и дорого: клонирование позволило бы получать их копии. Проектируется производить трансгенных млекопитающих, способных синтезировать факторы свертывания человеческой крови и другие жизненно важные для нас продукты и выделять их в составе своего молока. Широкомасштабное развитие такой биотехнологии сэкономило бы огромные количества донорской крови, запасы которой ограничены и могли бы использоваться более эффективно.
Первые опыты.
Клонирование взрослых млекопитающих.
Открывающиеся перспективы.
Бесполое размножение происходит у всех одноклеточных водорослей, грибов (например дрожжей), простейших животных. Это обычное деление клеток, чередующееся с половым размножением и служащее более широкому расселению видов. Бесполое размножение широко распространено также у высших растений, что известно любому дачнику. В практике используется размножение черенками (смородина), усами (земляника), клубнями (картофель) и другими фрагментами. Поскольку новые растения вырастают из вегетативных (не половых) органов, этот механизм называют также вегетативным размножением. Встречается бесполое размножение и у многоклеточных животных, например путем почкования. Легко почкуются гидры и медузы. Плоские черви планарии восстанавливаются из фрагментов тела. Морские звезды вырастают со всеми органами из отдельных оторванных лучей. Однако с повышением уровня организации эта способность снижается, а у высших животных и человека она совсем утрачивается. Если разрезать пополам насекомое, например муху, или позвоночное животное – рыбу, лягушку, не говоря уже о птицах и млекопитающих, то из этого ничего хорошего не выйдет.
Общим правилом бесполого размножения является участие одного “родителя”. Важно и то, что дочерние особи образуются из обычных соматических (не половых) клеток, которые остаются диплоидными, так как делятся митотическим путем. Поскольку перед каждым митозом ДНК реплицируется с большой точностью, все поколения имеют в клетках один и тот же набор генов с их изначальными мутациями, один и тот же генотип – от одного родителя. Фактически это генотип тех прародителей (бабушек и дедушек, прабабушек и прадедушек или еще более древних поколений), которые когда-то были получены половым путем. Поэтому земляника, разводимая усами, или картофель при посадке клубнями будут сохранять из поколения в поколение одни и те же сортовые качества. С годами они заражаются бактериями и вирусами, приобретают мутации и стареют, как стареет отдельный организм. Поэтому время от времени посадочный материал приходится обновлять. Для этого используют новое, молодое поколение, полученное из семян при половом размножении.
Близким по сути является клонирование растений и животных. Теория и практика клонирования уже давно не новые, хотя заговорили об этом в последнее десятилетие, после того как в 1997 году в Шотландии удалось вырастить знаменитую овечку Долли. Что же такое клонирование?
Клон – это совокупность генетически однородных особей, полученных путем простого митотического размножения клеток без полового процесса, без хромосомного рекомбинирования. Клонированные организмы генетически идентичны, как однояйцевые братья или сестры. Этим клон отличается от потомков, полученных половым путем, у которых в каждом поколении возникают новые комбинации генов от двух родителей. Потомство одного растения или животного, полученное черенкованием или почкованием, это, по сути, тоже клон. Но в последнее время клонирование особей ведут из отдельных клеток. Это повышает генетическую чистоту клона и имеет ряд других преимуществ.
Рис. 4.5. Схема клонирования растений
Схема клонирования растений приведена на рис. 4.5. Берут какую-нибудь ткань, например кусочек корнеплода моркови, помещают в колбу или пробирку с плотной питательной средой, добавляют гормоны роста. Вскоре клетки приступают к размножению. В это время их можно рассадить по одной штуке во множество колб или пробирок, и процесс пойдет с прежним темпом в каждой из них. Образуется клеточная масса (каллус), в которой далее идет дифференцировка клеток с образованием разных тканей, формируются органы: корень, стебель, листья. Растение в пробирке готово, оно может достичь половозрелости и дать семена. Ценность метода клонирования растений заключается в том, что таким образом удается вырастить стерильный, не пораженный вирусами или бактериями, посадочный материал. Если это к тому же элитный сорт, урожай после пересаживания в открытый грунт будет превосходный. Естественно, делается это в специальных лабораториях, стерильно, с применением искусственных сред и стимуляторов роста.
Клонирование животных началось гораздо раньше, чем принято думать.
Уже в 1928 г. была показана возможность развития личинок тритона из отдельных клеток 16-клеточного зародыша. В 1950-е годы был получен головастик лягушки из зиготы, в которой ее собственное ядро было удалено и заменено ядром из клетки раннего зародыша. Позднее, с усовершенствованием методик удаления и пересадки ядер, удавалось выращивать взрослых лягушек из икринок, которым трансплантировали ядра из мышечных или кишечных клеток головастика. В наше время осуществлено клонирование сельскохозяйственных животных.
Главный резон этой технологии – сохранение и рациональное использование генотипов элитных, особо ценных и редких производителей. Для клонирования берут ядро какой-либо соматической клетки от животного требуемой породы и пересаживают его в яйцеклетку той же или другой особи. Полученную искусственную зиготу возвращают матери, которая и вынашивает потомство (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Схема клонирования овечки Долли
Так, для выращивания овечки Долли были взяты клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки размножили в культуре и получили “посадочный” материал в виде генетически однородного клеточного клона. Каждая клетка содержала ядро, а в ядре диплоидный набор хромосом. Яйцеклетку достали из яйцевода другой овцы и удалили из нее гаплоидное ядро. Далее одно из выращенных диплоидных ядер молочной железы пересадили в безъядерную яйцеклетку и получили аналог зиготы, образуемой при обычном оплодотворении. Теперь искусственную зиготу перенесли в матку взрослой самки для эмбрионального развития. Успех подобных манипуляций пока далеко не стопроцентный. Чтобы получить овечку Долли, потребовалось более 400 попыток.
Проблема клонирования принципиально решена в биологическом плане. Однако в ней следует видеть два аспекта: клонирование клеток и клонирование организмов. Ранний зародыш удобно использовать как источник молодых стволовых клеток, способных к размножению и формированию различных тканей. Такие клетки можно выделить, размножить, т.е. клонировать, и консервировать на многие годы, а при необходимости использовать в медицинских целях – в травматической, ожоговой или иной заместительной тканевой терапии.
Работы по клонированию стволовых клеток сегодня выдвинуты в разряд приоритетных направлений биотехнологии. Однако клонирование клеток из эмбриона считается аморальным (фактически это убийство) и, как правило, запрещается. Поэтому наряду с эмбриональными стволовыми клетками широко используют гемопоэтические (кроветворные) стволовые клетки красного костного мозга, пуповинной крови или аналогичные клетки других тканей. Хотя клетки из этих источников способны давать не все типы тканевой специализации.
Сложнее обстоит дело с клонированием целых животных организмов. Помимо того, что эта технология пока далека от совершенства (велик риск получения уродливых организмов), встают чисто гуманитарные вопросы о допустимости клонирования человека. Шотландский ученый Ян Вильмут, который со своими сотрудниками и проделал опыты по выращиванию Долли, высказался против клонирования людей. В ряде стран, в том числе в России, такие эксперименты запрещены законодательно. Но история науки и техники знает, как трудно удержать в стенах лаборатории выдающиеся открытия. Так было с расщеплением радиоактивных материалов, которое не только породило атомную энергетику, но и вылилось в производство ядерных вооружений. Так же, вероятно, будет и с клонированием человека. Последствия пока трудно предвидеть, но это вопрос не биологический. Это поле деятельности политиков, юристов, правозащитников, церкви – всей мировой общественности.
Обзор
Автор
Редакторы
Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.
Сегодня существует ряд этических преград для дальнейшего развития клонирования, тем более в отношении человека. Некоторые мировые религии считают клонирование человека недопустимым. В некоторых странах клонирование запрещено вообще. В части стран запрещено клонирование, при котором воспроизводится целый многоклеточный организм [3].
Клонирование в биологии — это появление естественным или искусственным путем нескольких генетически идентичных живых организмов. Термин в том же смысле нередко применяют по отношению к одноклеточным организмам и клеткам многоклеточных организмов.
Естественное клонирование
В действительности, клонирование свойственно и растительному, и животному мирам. Например, вегетативное размножение растений, деление бактерий, клональное размножение ящериц. В том числе рождение близнецов у людей — тоже пример естественного клонирования.
Искусственное клонирование
Это группа методов, при которых целенаправленно создаются клоны молекул, клеток, многоклеточных организмов.
Бактериальное клонирование — это целенаправленное создание и выращивание бактериальных клонов для биотехнологий.
Молекулярное клонирование, при котором получают клоны фрагмента ДНК, а затем вставляют в необходимые клетки.
Искусственное клонирование многоклеточных организмов. При этом виде клонирования можно создать клоны клеток, тканей, целого органа или даже организма. Именно искусственное клонирование многоклеточных организмов является предметом споров и разногласий научного сообщества, религии, и предметом этой статьи.
Немного о биологии размножения многоклеточных организмов
Совокупность наследственного материала клетки называется геномом. Многоклеточные организмы — эукариоты. Одной из особенностей эукариотических клеток является то, что наследственный материал находится в ядре клетки в виде хромосом, а также в виде кольцевидной ДНК в митохондриях.
Хромосома — нитевидная структура, состоящая из ДНК и белков. Именно ДНК несет генетическую информацию. Например, в ядре клеток человека содержится 23 пары хромосом (то есть всего 46) [4]. В половых клетках человека содержится половина — 23 хромосомы. При соединении двух половых клеток — маминой и папиной — получается клетка зигота с 46-ю хромосомами (рис. 1). Зигота дает начало всем будущем клеткам и тканям организма. Таким образом, в естественных условиях все клетки многоклеточного организма несут генетическую информацию от своих отца (мужской гаметы) и матери (женской гаметы) [5]. Клетки, содержащие 23 хромосомы, называются гаплоидными, а содержащие все 46 хромосом — диплоидными. В организме млекопитающих все клетки, кроме половых, являются диплоидными соматическими [4], [6].
Рисунок 1. Результат оплодотворения — зигота человека
У разных млекопитающих — разное количество хромосом (см. табл.).
| Название млекопитающего | Количество хромосом диплоидного набора | Количество хромосом гаплоидного набора |
|---|---|---|
| Человек | 46 | 23 |
| Шимпанзе | 48 | 24 |
| Овца | 54 | 27 |
Немного истории клонирования
У клонирования сложный и тернистый путь.
В 40-х годах прошлого века советский ученый-эмбриолог Г.В. Лопашов проводил эксперименты по переносу клеточных ядер в энуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку земноводных. Аналогичные работы с земноводными проводили эмбриологи Т. Кинг и Р. Бриггс в США. В 50-х годах английский эмбриолог Д. Гордон пересаживал ядра соматических клеток в яйцеклетки лягушки. В 1963 году Тонг Дизхоу получал клоны карпа. В 1975 году были опубликованы результаты успешной работы Д. Бромхола по клонирования кроликов. В 1983 году Л.А. Слепцова и ее коллеги клонировали костистых рыб (вьюнов). В 80-х годах прошлого столетия ученый С. Вилладсен провел серию успешных опытов по клонированию сельскохозяйственных животных путем переноса в яйцеклетку ядра зародыша. В 1997 году Йэн Уилмат и Кейт Кэмпбелл из Шотландии объявили о прорыве: проведено клонирование овцы с использованием соматической, не зародышевой, клетки [1], [7]!
Долли — самка овцы, первое млекопитающее, которое смогли клонировать из зрелой соматической клетки путем замещения ядра. Технология получения этого клона была следующей.
Рисунок 2. Схема клонирования овцы Долли
Например, клонирование может помочь получить животных и растения с необходимыми параметрами, такими как плодовитость, устойчивость к болезням. Опыты с клонированием могут помочь в лечении болезней. Очень интересной является перспектива использования клонирования для восстановления популяции вымерших или вымирающих видов. Отдельного внимания заслуживают опыты терапевтического клонирования — получение культуры стволовых клеток для разработки новых методов терапии тяжелых заболеваний, например, онкологических [7].
Размножение – процесс воспроизводства живых организмов. Существует два типа размножения – половое (за счет слияния гамет) и бесполое (развитие из соматических клеток). Несколько видов бесполого размножения характерно для одноклеточных и многоклеточных организмов – растений и животных.
Определение
Бесполое размножение – это воспроизводство потомства из соматических клеток одного организма. Всю генетическую информацию новый организм получает от единственного родителя, поэтому в отсутствии мутаций становится его копией.
Особенностями бесполого размножения являются:
- образование и развитие одноклеточного или многоклеточного организма посредством митоза;
- быстрое увеличение численности потомков.
Бесполое размножение характерно для всех одноклеточных организмов, грибов, примитивных многоклеточных животных, многих типов растений. Этот способ воспроизводства потомства появился намного раньше полового размножения. НЕ следует относить к бесполому размножению такие формы полового размножения:
Существует несколько видов размножения бесполым путём. Их особенности описаны в таблице “Виды бесполого размножения”.
которые читают вместе с этой
Особенности
Примеры
Образование дочерних клеток из одной родительской клетки. Деление может быть однократным (на две части) или многократным (более 1000 дочерних клеток).
Амёба, хламидомонада, хлорелла, бактерии
Высвобождение спор из специальных органов – спорангий. Споры имеют защитную оболочку, которая разрушается при благоприятных для развития условиях.
Грибы, папоротники, мхи, водоросли
Создание потомства из тканей родительского тела путём выпячивания и отделения.
Образование нового организма из отдельных сегментов или частей родительской особи.
Ленточные черви, водоросли, кишечнополостные
Естественное или искусственное выращивание новых особей из вегетативных органов растений.
Герань, фиалка, бегония
Рис. 2. Споры папоротника.
Деление характерно только для одноклеточных организмов. Многоклеточные животные размножаются почкованием и фрагментацией. Для растений характерно спорообразование и вегетативное размножение. Грибы размножаются преимущественно спорами.
Клонирование
Явление, при котором человек искусственно получает живой организм бесполым путём, называется клонированием. В природе встречается редко. Один из примеров естественного клонирования – однояйцевые или гомозиготные близнецы. Однако они идентичны только между собой и отличаются от родителей.
Метод воспроизводства идентичных потомков из клетки родителя применим даже к тем организмам, которые в природе размножаются половым путём. Хрестоматийный пример – овечка Долли. Клонирование осуществлялось путём переноса ядра соматической клетки родителя со всей генетической информацией в яйцеклетку донора.
Рис. 3. Овечка Долли.
По сути, любой способ бесполого размножения является своего рода клонированием, так как для воспроизводства используется соматическая, а не половая клетка, и потомки идентичны родителю.
Что мы узнали?
Бесполое размножение свойственно одноклеточным и многоклеточным организмам. Генетического разнообразия не происходит, так как образовавшиеся потомки развиваются из соматических клеток и полностью идентичны организму родителя. Существует несколько способов бесполого размножения – деление, образование спор, почкование, фрагментация и вегетативное размножение. Клонирование является искусственным способом бесполого размножения.
Читайте также: