Книга: Наука воскрешения видов. Как клонировать мамонта

Клонирование (не) для птиц

Клонирование (не) для птиц

Хотя до сих пор в центре моего внимания было возрождение мамонта, сейчас у меня есть прекрасная возможность переключиться на другой проект, в котором я принимаю участие, – речь идет о воскрешении странствующего голубя. Ранее я упоминала, что некоторые виды не будут клонированы методом ядерного переноса. К ним относится и странствующий голубь.

Поскольку птицы развиваются скорее снаружи, нежели внутри тела суррогатной матери, кажется, что они очень хорошо подходят для клонирования путем ядерного переноса. Но среди перечисленных мной животных, клонированных с помощью этого метода, не было ни одной птицы. Почему же это так?

Простой ответ заключается в том, что птиц нельзя клонировать таким способом.

Птица начинает свой долгий путь к превращению из неоплодотворенной яйцеклетки (ооцита), находящейся в яичнике птицы. На первом этапе яйцеклетка выходит в яйцевод. На пути через эту очень длинную, закрученную спиралью трубку яйцеклетка встречает сперматозоид и происходит оплодотворение. Затем, в течение следующих суток или около того, оплодотворенная яйцеклетка медленно спускается по яйцеводу, полному неожиданных поворотов и крутых спиралей. По мере того как она катится по этому пути, ее постепенно покрывают слои альбумина и структурных волокон – это вещество известно нам как яичный белок. Во время своего продвижения оплодотворенная яйцеклетка начинает делиться. Пока она кувыркается по яйцеводу, структурные волокна оплетают желток, надежно закрепляя его внутри белка. Ближе к концу яйцевода, сразу перед тем, как яйцо будет отложено, вокруг развивающегося зародыша формируется последняя, твердая оболочка (скорлупа). К завершению путешествия из материнского яичника в окружающий мир эмбрион состоит примерно из 20 тысяч клеток. Далее они начнут дифференцироваться в различные типы тканей.

В какой точке этого процесса можно осуществить ядерный перенос? При работе с млекопитающими у самки берут яйцеклетку, ядро которой будет удалено и заменено другим, когда клетка уже созрела, но еще не была оплодотворена. Именно на этой стадии яйцеклетка готова перепрограммировать ядро соматической клетки. Но добыть яйцеклетку в нужный момент оказалось в высшей степени сложно. Половые пути птиц очень длинные и извилистые, и добыть ее до оплодотворения крайне трудно. Если же мы подождем, пока птица отложит яйцо, клетки эмбриона уже начнут дифференцироваться и он, удерживаемый на своем месте внутри яйца множеством слоев переплетенных волокон, будет слишком большим, чтобы мы смогли его изъять. Но даже если нам удастся извлечь эмбрион и заменить его на другой, не разрушив при этом яйцо, эмбрион-подменыш должен находиться на той же стадии развития, что и собственный эмбрион яйца. Вырастить эмбрион до такой стадии в лабораторных условиях также оказалось чрезвычайно сложной задачей. Следовательно, пока что клонирование птиц как будто в принципе невозможно.

К счастью, существует и другой путь. Когда птица откладывает яйцо, эмбрион все еще находится на очень ранней стадии развития. Первичные половые клетки (или гоноциты) – клетки, которые в дальнейшем превратятся либо в сперматозоиды, либо в яйцеклетки эмбриона, – уже сформировались, но еще не переместились в репродуктивные органы, поскольку их пока не существует. Примерно через сутки после того, как птица откладывает яйцо, первичные половые клетки мигрируют по кровотоку эмбриона в репродуктивные органы (которые уже начинают развиваться), где и остаются до тех пор, пока не превратятся в зрелые сперматозоиды или яйцеклетки.

Первичные половые клетки – это ключ к работе с генами птиц. Гоноциты можно вырастить в лабораторной посуде, что позволяет нам редактировать их геномы. Эти клетки также имеют очень малые размеры, а значит, их можно ввести в яйцо во время того второго суточного интервала, когда оно уже находится снаружи, а первичные половые клетки прокладывают путь к развивающимся репродуктивным органам птицы. Таким образом, введенные в яйцо отредактированные гоноциты попадут в репродуктивные органы эмбриона вместе с его собственными гоноцитами. Когда эти клетки созреют, те из них, что были отредактированы, поучаствуют в формировании следующего поколения птиц.

Цыпленок, вылупившийся из яйца, в которое мы ввели генетически модифицированные первичные половые клетки, сам по себе не будет иметь генетических изменений. Но клетки с отредактированными геномами останутся в его репродуктивных органах. Первая экспрессия измененных генов произойдет, когда этот цыпленок вырастет и на свет появятся его собственные цыплята.

Давайте рассмотрим, как тот же процесс будет работать в случае возрождения странствующего голубя. Его ближайший живой родственник – полосатохвостый голубь. Цель нашего проекта – создать полосатохвостых голубей, которые будут выглядеть и вести себя как странствующие голуби, хотя эти эксперименты еще не начались. Чтобы добиться этого, мы выделим первичные половые клетки полосатохвостого голубя и вырастим их культуру в лаборатории. Затем мы отредактируем геномы этих клеток с помощью технологий, описанных несколькими главами ранее, по необходимости заменив гены полосатохвостого голубя на соответствующие им версии генов странствующего голубя. Затем мы введем эти отредактированные клетки в яйца полосатохвостого голубя в точности в нужный нам период развития. Вылупившиеся цыплята будут генетически чистыми полосатохвостыми голубями, за исключением некоторого числа их половых клеток (сперматозоидов или яйцеклеток), содержащих ДНК странствующего голубя. Потомство, получившееся из этих отредактированных половых клеток, будет иметь в своих клетках участки ДНК странствующего голубя.

Клонирование путем переноса первичных половых клеток в развивающийся эмбрион имеет одно важное преимущество по сравнению с клонированием путем ядерного переноса. Отредактированные первичные половые клетки не нужно перепрограммировать. Это замечательно. Почему же тогда все внимание сосредоточено на клонировании мамонта, если клонирование странствующих голубей или дронтов очевидно будет намного проще?

Не совсем понятно, почему клонированию птиц уделяют намного меньше внимания, чем клонированию млекопитающих. В качестве метода генетической модификации птиц перенос первичных половых клеток работает исключительно хорошо. Эта технология развивалась в основном с оглядкой на птицеводство, однако ее также используют для сохранения видов, находящихся под угрозой, и для научных исследований. Нет ни одной очевидной причины, почему ее не удастся успешно применить для восстановления вымерших видов.

Некоторые примеры переноса первичных половых клеток общепризнанно считаются необычными. Ученые из Рослинского института, учреждения, ответственного за появление на свет клонированной овцы Долли, создали с помощью этой технологии цыплят, которые светятся ярко-зеленым светом в ультрафиолетовом излучении. Для этого ученые вставили в их геномы белок, называемый зеленым флуоресцентным белком (ЗФБ), который в природе встречается у североамериканской медузы Aequorea victoria. В науке ЗФБ используется для отслеживания биологических изменений в организме. К примеру, если ткани, в клетках которых экспрессируется ЗФБ, пересадить организму, в чьих клетках он не экспрессируется, ученые смогут отследить, что происходит с пересаженными клетками, наблюдая их в лучах ультрафиолета. Ученые, желающие использовать светящихся цыплят в своих исследованиях, могут заказать их на сайте Рослинского института. Пока что это бесплатно.

Технология введения первичных половых клеток в развивающиеся эмбрионы нужна не только для того, чтобы создавать светящихся цыплят, но и для того, чтобы увеличивать популяции редких или находящихся под угрозой исчезновения пород кур. Первичные половые клетки можно получить из крови развивающегося эмбриона, не убивая его. Жизнедеятельность этих клеток можно поддерживать в лабораторных условиях, чтобы затем ввести их эмбрионам распространенных пород кур. По достижении половой зрелости полученных кур можно оплодотворить семенем (которое намного легче собирать, чем яйцеклетки), взятым от петухов редкой породы. В результате оплодотворения этой спермой яйцеклеток, развившихся из введенных в яйцо отредактированных гоноцитов, из яиц, отложенных курами распространенных пород, вылупятся чистокровные цыплята редкой породы.

Наиболее волнующее применение этого метода с точки зрения возрождения вымерших птиц – это перенос первичных половых клеток между двумя разными видами. Ученые из Центральной ветеринарной исследовательской лаборатории в Дубае перенесли первичные половые клетки кур в утиные яйца. Птенцы, вылупившиеся из этих яиц, выглядели как совершенно нормальные утки. Не забываем, что в первом поколении у птиц отличаются только половые клетки. Позднее ученые взяли у выросших селезней сперму и оплодотворили ею кур. В результате вылупились совершенно нормальные цыплята, отцом которых был селезень.

Восхитительно, что утки и куры – не единственные животные, которых ученые таким путем «убедили» произвести на свет потомство, относящееся к иному виду. Недавно профессор Гото Ёшизаки из Токийского университета океанографии перенес яйцеклетки и сперматозоиды радужной форели в половые пути взрослых сим (рыб семейства лососевых). После спаривания этих рыб между собой из части их икринок вылупились мальки радужной форели. Сима и радужная форель находятся в близком родстве друг с другом, что, вероятно, объясняет успех этого эксперимента. Однако существует надежда, что эту технику можно будет использовать и с другими видами рыб. Ёшизаки также удалось получить красноногих собак-рыб с помощью белоточечных собак-рыб (это две разновидности рыбы фугу), а еще он собирается использовать скумбрию для выращивания голубого тунца, что, в случае успеха, станет недорогим способом увеличить его производство, не забирая мальков из дикой природы.

Разумеется, технология переноса первичных половых клеток вызывает восторг, и мы найдем множество способов использовать ее на благо природы. Однако для восстановления вымерших видов эта методика не идеальна.

Во-первых, первичные половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом – они превращаются либо в сперматозоиды, либо в яйцеклетки. Когда сперматозоид с отредактированным геномом оплодотворяет яйцеклетку с неотредактированным геномом (или наоборот), в диплоидном геноме потомства будет содержаться только одна копия отредактированного гена. Следовательно, эти правки могут не проявиться в фенотипе потомства. Чтобы получить потомство с двумя копиями отредактированного гена, мы должны отредактировать геномы как сперматозоида, так и яйцеклетки.

Во-вторых, введенные в эмбрион первичные половые клетки не единственные гоноциты, попадающие в репродуктивные органы животного. В приведенном выше примере с утками отцом цыплят выступил селезень, но его сперма была гибридной – она содержала как утиные, так и куриные сперматозоиды. Когда утиный сперматозоид оплодотворял куриную яйцеклетку, ничего не происходило. Никаких гибридных «уткокур» не получилось. Но когда его куриные сперматозоиды (образовавшиеся из куриных гоноцитов, перенесенных в яйцо, в котором он развивался, будучи эмбрионом), оплодотворяли куриные яйцеклетки, на свет появлялись цыплята. Геном этих цыплят был на 100 % куриным. Тем не менее их отцом был селезень.

В-третьих, в экспериментах, проводившихся до сих пор, вероятность, с которой перенесенные в эмбрион первичные половые клетки давали начало новому поколению, по наблюдениям ученых, была низкой. Лишь малая доля яйцеклеток и сперматозоидов, в конечном итоге образовавшихся в телах эмбрионов, брала начало от введенных извне первичных половых клеток.

У Майка Макгрю из Рослинского института есть план, как обойти эти препятствия. С помощью генной инженерии он создает цыплят, не способных вырабатывать первичные половые клетки. Яйцеклетки или сперматозоиды смогут сформироваться у этих цыплят только в том случае, если первичные половые клетки введут в их организмы извне во время соответствующей стадии их эмбрионального развития. Таким образом, Майк может создавать кур и петухов, у которых 100 % яйцеклеток и 100 % сперматозоидов соответственно будут содержать отредактированный геном. Скрестив этих кур и петухов между собой, в результате ученые получат 100 % цыплят с отредактированными геномами.

Хотя уже делаются некоторые успехи в переносе первичных половых клеток между птицами разных видов, находящихся в отдаленном родстве, я предположу, что все еще существуют пределы того, насколько далеко мы можем зайти. К примеру, курам будет тяжело отложить яйца, содержащие эмбрионы моа или эпиорниса (и, вероятно, нам не следует принуждать их к этому). Кроме того, не стоит сомневаться, что гормональный и генетический фон матери играет некоторую роль в формировании эмбриона, даже если он воздействует на него только в течение первых суток развития. Однако эта технология будоражит воображение, и определенно ей найдется место в деле сохранения биологического разнообразия птиц, как минимум среди пород кур.

Возможно также, что однажды нам удастся «убедить» курицу отложить яйцо с эмбрионом дронта внутри. Если это произойдет, остается вопрос: что она будет делать с птенцом дронта?