Книга: Наука воскрешения видов. Как клонировать мамонта

Первый случай возрождения вымершего вида? Не совсем так

Первый случай возрождения вымершего вида? Не совсем так

Летом 2003 года на свет появилась самка букардо, подвида пиренейского козерога (один из видов горного козла). Ареалом обитания букардо были Пиренеи, горная цепь, образующая границу Испании и Франции. Однако на момент рождения этой козочки ее вид уже 3,5 года как прекратил свое существование.

Новорожденная букардо была клоном последней жившей на земле представительницы вида, пожилой самки Селии. К сожалению, детеныш задохнулся спустя несколько минут после рождения. На вскрытии выяснилось, что маленькая букардо родилась с аномалией развития легкого и шансов выжить у нее не было. Тем не менее появление на свет этого детеныша часто преподносится как первый успешный пример восстановления вымершего вида. Но, на мой взгляд, раз у нее не было шансов выжить, это нельзя называть возрождением.

Проект букардо выглядел весьма многообещающим. Образцы клеток были взяты у Селии за 10 месяцев до ее смерти и немедленно заморожены, ДНК в этих клетках сохранилась в очень хорошем состоянии. Несколько генетически близких подвидов пиренейского козерога все еще живут и здравствуют, поэтому найти подходящих доноров яйцеклеток и суррогатных матерей не составит проблем. К тому же букардо вымерли не так давно, и их вымирание, вероятно, было связано с чрезмерным охотничьим промыслом, а не с исчезновением их среды обитания. До тех пор пока мы в состоянии контролировать свои охотничьи инстинкты, возрожденных козерогов букардо можно будет вернуть в дикую природу, и для этого не потребуются ни обширные исследования воздействия среды, ни политические маневры.

Когда группа ученых из Испании и Франции начала работу над проектом букардо в 1989 году, этот вид еще не исчез полностью. Успешных опытов по межвидовому клонированию крупных млекопитающих на тот момент также еще не проводилось, и трудности, с которыми столкнулись ученые, были огромны.

В 2001 году компания Advanced Cell Technologies осуществила независимую попытку межвидового клонирования, успешно клонировав гаура (вымирающий подвид крупного рогатого скота, обитающий в Южной и Юго-Восточной Азии), в качестве суррогатной матери была использована домашняя корова. Клонированный гаур прожил всего 48 часов, после чего умер от дизентерии, однако его рождение подтвердило возможность межвидового клонирования. Спустя два года та же компания успешно клонировала представителя еще одного вида быков, находящегося под угрозой исчезновения, – бантенга. В качестве суррогатной матери вновь выступила домашняя корова. Клонированный бантенг прожил в зоопарке Сан-Диего 7 лет – менее половины срока жизни этих животных в дикой природе – и умер, по всей видимости, от естественных причин.

Проект по возрождению букардо был сходен с проектами по клонированию гаура и бантенга в том отношении, что не требовалось прибегать к секвенированию и редактированию генома, а также в том, что имелись подходящие суррогатные матери. Однако проект возрождения букардо имел две важные особенности. Во-первых, в случае крупного рогатого скота использовались устоявшиеся репродуктивные технологии, которые еще не были разработаны для пиренейского козерога. Во-вторых, к тому моменту, как ученые разработали эту технологию, козероги букардо уже исчезли с лица земли.

К сожалению, эксперимент по клонированию букардо не увенчался успехом, и причина этого не до конца ясна. Возможно, проект провалился из-за того, что ученые просто не запасли достаточное количество эмбрионов. В конце концов, клонирование путем переноса ядра славится своей неэффективностью. Ученые перенесли копии генетического материала соматических клеток Селии в 782 яйцеклетки, но эмбрионы развились только из 407 яйцеклеток. Из них 208 эмбрионов были имплантированы потенциальным суррогатным матерям, но беременность развилась только в 7 случаях. Лишь одна из этих беременностей закончилась рождением козленка в срок, и новорожденная прожила менее 10 минут. Если посчитать эту новорожденную самку букардо успешно созданным клоном, что я делаю здесь исключительно для наглядности, вероятность успешного клонирования букардо составит 0,1 %.

Альберто Фернандес-Ариас, директор Службы охраны дикой природы и регулирования охоты и рыбной ловли Арагона, пришедший в проект по возрождению букардо в 1989 году, чтобы разработать репродуктивные технологии для пиренейского козерога, считает, что я несправедливо называю этот случай «провалившейся» попыткой возрождения вымершего вида. По словам Фернандеса-Ариаса, если бы группа знала, что букардо родится с аномалией легкого, они смогли бы подготовиться к операции по удалению деформированного фрагмента сразу после рождения. Такие операции успешно проводятся у человеческих младенцев с аналогичными врожденными пороками, и это, вероятно, спасло бы жизнь новорожденному козленку. Разумеется, невозможно выяснить, ни что вызвало аномалию развития легкого, ни что могло случиться далее – как бы сложилась взрослая жизнь клонированной букардо. Однако работа над проектом продолжается, и вскоре мы сможем узнать, вернутся ли букардо на просторы Пиренейских гор.

Если у нас есть клетка, содержащая геном животного, которое мы хотим возродить, – будь то клетка, полученная из замороженных тканей до того, как вид вымер, или клетка, которую подвергнут геномному редактированию, – следующим шагом станет создание эмбриона из этой клетки. И тут нам потребуется животное, которое выступит в роли суррогатной матери. В случае многих кандидатов на возрождение (позже в этой главе я рассмотрю некоторые исключения) этот процесс включает клонирование путем переноса клеточного ядра. Можно догадаться, что одни виды будет значительно проще клонировать, чем другие. К примеру, клонирование букардо должно быть намного проще, чем клонирование отредактированных клеток слона. Поэтому я начну рассматривать этот этап возрождения вымерших видов на примере букардо. Как только мы разберемся с основами, я перейду к более сложным задачам, с которыми придется столкнуться при клонировании клеток слона, подвергнутых генной инженерии. А под конец я расскажу о препятствии в работе над возрождением вымерших видов, которое стало для меня полной неожиданностью: клонирование птиц оказалось невозможным.

Перенос клеточного ядра – это сложный процесс, на каждом этапе которого ученых подстерегает провал. Даже самые простые на первый взгляд шаги могут сопровождаться существенными проблемами. К примеру, в случае собак практически невозможно получить созревшие яйцеклетки, в которые будет произведен перенос генетического материала из соматических клеток. В отличие от яйцеклеток других животных, созревающих в яичниках, яйцеклетки собак созревают по мере продвижения из яичника в матку. Поскольку овуляторный цикл у домашних собак тоже, как правило, непредсказуем, для того, чтобы понять, в какой момент нужно забирать созревшие яйцеклетки, понадобится не только внимательное наблюдение за гормональным фоном животного, но и капля везения.

Однако наиболее тяжелый этап ядерного переноса – перепрограммирование. Во время перепрограммирования клетка забывает, каково это – быть соматической клеткой, и превращается, в сущности, в эмбриональную стволовую клетку. Только полностью перезагруженные клетки позже смогут дифференцироваться в любые из многочисленных тканей, из которых состоит организм. Однако этот этап отличается особенной неэффективностью. Считается, что именно незавершенное перепрограммирование виновато в том, что в результате клонирования путем ядерного переноса развивается столь малое число эмбрионов и у них так часто наблюдаются пороки развития.

Сбой может произойти не только на этапе перепрограммирования. Даже если клетки перепрограммировались должным образом и из них развились жизнеспособные эмбрионы без пороков развития, иногда зародыш не имплантируется в матку суррогатной матери или беременность прерывается уже после имплантации плодного яйца. Это может происходить вследствие пока неизвестных нам особенностей репродуктивного цикла или же из-за какой-либо несовместимости между суррогатной матерью и развивающимся эмбрионом. Подобные несовместимости с большей вероятностью будут встречаться при межвидовом клонировании (включая эксперименты, при которых весь зародыш и его суррогатная мать принадлежат к разным видам), чем при клонировании в пределах одного вида. Кроме того, без сомнений, экспериментальные манипуляции вызывают стресс у суррогатных матерей, и этот стресс может быть одной из причин повышенного процента выкидышей в экспериментах по клонированию.

Разумеется, стресс стал одним из ограничивающих факторов в экспериментах по клонированию букардо.

Готовясь к работе с клетками букардо, группа ученых, проводившая этот проект, сделала первую попытку межвидового клонирования с привлечением другого, сравнительно широко распространенного подвида пиренейского козерога. После того как ученые разработали и полностью протестировали эту технологию, они перешли к клонированию букардо.

Чтобы осуществить план, им были нужны эмбрионы пиренейского козерога. Чтобы создать эти эмбрионы, ученым вначале пришлось поймать в горах несколько пиренейских козерогов. Затем нужно было некоторое время продержать козерогов в неволе, чтобы понаблюдать за их репродуктивным поведением и разработать способ вызвать у самок овуляцию. Увидев, что козероги спариваются, ученые взяли бы у самок оплодотворенные яйцеклетки, имплантировали бы развивающиеся эмбрионы домашним козам, а затем оставалось бы только надеяться на лучшее.

Получить оплодотворенные яйцеклетки пиренейского козерога оказалось намного сложнее, чем рассчитывали исследователи. Привыкшие взбираться по крутым скалистым склонам, пиренейские козероги избегали манипуляций ученых, спасаясь на уступах в стенах вивария высоко под потолком (ил. 15). Когда ученым наконец удалось взять у самок яйцеклетки, оказалось, что среди них нет ни одной оплодотворенной. Похоже, стресс, вызванный жизнью в неволе, помешал им успешно спариться.

Ученым удалось придумать способ работы с козерогами, вызывающий у животных меньше стресса, и, в конечном итоге, удалось добыть оплодотворенные яйцеклетки пиренейских козерогов, содержавшихся в неволе. Но воодушевление, вызванное этим успехом, продлилось недолго, так как обнаружилась еще одна серьезная проблема: ни один из эмбрионов не продолжил развиваться после имплантации в матку домашней козы. Похоже, эмбрионы пиренейских козерогов были несовместимы с матками домашних коз. Это была плохая новость для проекта по клонированию букардо.

Полагая, что причина в генах, ученые решили подобрать другую суррогатную мать, генетически более близкую развивающемуся эмбриону. Лучше всего подошла бы представительница подвида пиренейского козерога. Однако ученые уже знали, что с пиренейскими козерогами трудно работать и они плохо чувствуют себя в неволе. Не желая проводить каждый день в попытках убедить козерогов спуститься вниз со стен, ученые решили пойти на компромисс: создать гибридных особей. Скрестив домашних коз с самцами пиренейского козерога, они получили бы детенышей с 50 % ДНК пиренейского козерога, и, что важнее всего, эти детеныши наверняка предпочли бы держаться поближе к земле. По достижении взрослого возраста гибридные самки должны были стать суррогатными матерями для эмбрионов пиренейского козерога.

Спустя примерно год ученые имплантировали эмбрионы пиренейского козерога самкам – гибридам козы и козерога – и вновь стали надеяться на лучшее. Чудесным образом беременность успешно наступила в половине случаев, и в результате на свет появились здоровые детеныши пиренейского козерога.

Мне следует обратить ваше внимание на то, что такой высокий показатель успешности – пятидесятипроцентная выживаемость имплантированных эмбрионов – обусловлен тем, что в этом эксперименте не был задействован ядерный перенос. В проекте с самого начала использовались здоровые эмбрионы, взятые у живых козерогов, а не соматические клетки, требующие перепрограммирования. Как я уже упоминала ранее, этап перепрограммирования, ставший первым шагом в эксперименте по возрождению букардо, отличается крайне низким процентом успешных исходов.

Разрабатывая технологию искусственного оплодотворения пиренейских козерогов, группа ученых, занимающаяся клонированием букардо, обнаружила, что эмбрионы букардо (в случае, если ученым удастся зайти так далеко в своем эксперименте) смогут развиться в организмах суррогатных матерей – гибридов домашней козы и пиренейского козерога, – но чистокровные домашние козы вряд ли для этого подойдут. Ученые обнаружили преграду для межвидового клонирования, возникшую в ходе эволюционного расхождения этих двух видов.

С точки зрения науки возрождения вымерших видов важно, что вероятность появления подобных преград увеличивается вместе с эволюционной дистанцией. Для вымерших видов, не имеющих близких эволюционных родственников, может не найтись подходящих суррогатных матерей. Однако эксперимент с козерогами показал, что такие преграды могут существовать и между видами, находящимися в близком родстве. Редактирование генома способно даже стать причиной появления таких барьеров, если, к примеру, будут прерваны важные взаимодействия между эмбрионом и вынашивающей его самкой. Таким образом, даже те проекты по возрождению вымерших видов, в которых задействованы минимально отредактированные геномы, могут завершиться неудачей из-за непредвиденной несовместимости эмбриона и его суррогатной матери.

Некоторые виды несовместимости могут проявить себя еще до стадии имплантации. К примеру, если яйцеклетка несовместима с соматической клеткой, ядро которой в нее перенесли, то ни одна такая яйцеклетка не превратится в эмбрион, даже если соматические клетки были правильно и полностью перепрограммированы. Подобная проблема может возникнуть, к примеру, когда ядерный геном соматической клетки несовместим с митохондриальным геномом яйцеклетки.

Митохондрии – это органеллы, живущие в цитоплазме клетки, и они не входят в состав ядерного генома. Все митохондрии, расположенные во всех клетках организма, происходят от митохондрии яйцеклетки, из которой развился организм. У митохондрии есть свой собственный геном, кодирующий некоторые белки, необходимые для клеточного дыхания (процесса, в ходе которого клетка перерабатывает кислород и простые углеводы в энергию). Другие белки, участвующие в клеточном дыхании, вырабатываются генами, расположенными в ядре. В случае несовместимости митохондриального и ядерного геномов эти гены также могут оказаться несовместимыми. Если же они не будут работать сообща, обеспечивая клеточное дыхание, это может привести к нарушениям обмена веществ, неврологическим заболеваниям и даже смерти. До сих пор все проекты межвидового клонирования включали только перенос ядерной ДНК, но не митохондриальной.

Исследователи из лаборатории Дэвида Рэнда в Брауновском университете продемонстрировали, как несоответствие ядерной и митохондриальной ДНК может привести к появлению необычных фенотипов у в остальном обычных межвидовых гибридов. Ученые из лаборатории Рэнда создали дрозофил, обладающих ядерной ДНК Drosophila melanogaster и митохондриальной ДНК Drosophila simulans – двух видов мушек, разошедшихся около 5,4 миллиона лет назад. Получившиеся в результате мушки с не соответствующими друг другу геномами имели на спинах ворсинки, были в два раза меньше, чем нормальные мушки, страдали пороками развития, плохо размножались и, чего и стоит ожидать при недостаточной выработке энергии, уставали быстрее мушек с совпадающими геномами.

Несоответствие митохондриального и ядерного геномов может стать проблемой для восстановления вымерших видов, но есть и очевидное решение. Если эти митохондрии не подходят, почему не заменить их митохондриями, соответствующими ядерному геному? Или не отредактировать митохондриальный геном, заменив проблемные участки? Предположительно, это можно осуществить теми же методами редактирования, которые мы собираемся использовать для изменения нуклеотидной последовательности ядерного генома. Ни один из этих подходов нельзя назвать простым и ни один пока нельзя осуществить на практике. Однако в теории они оба реализуемы.