Вообще говоря, то, о чем я собираюсь вам сейчас рассказать, не имеет прямого отношения к кошкам. Речь пойдет в основном о мышах. Но, во-первых, эти два вида неразрывно связаны пищевой цепью, а во-вторых, существуют между ними и более серьезные узы — общность происхождения. Все мы, как ни крути, млекопитающие. И что верно для мыши, то верно, в общем, и для кошки, и для человека. И, наконец, в-третьих, история эта очень поучительная и служит продолжением того разговора о механизмах действия генов на процесс развития, который мы вели раньше. Начну я ее немного издалека.

Зимой 1985 года я получил приглашение от Эдинбургского университета. Работа, для которой меня пригласили, была связана не с кошками, а с мышами, но кошками я тоже в свободное время занимался, о чем будет рассказано в главе «Черный кот из Эдинбурга». Итак, собрался я в Эдинбург. А дело было еще до перестройки, и бумаги мои на эту поездку оформлялись около года.

Неожиданно я получил команду на выезд. Причем улетать в Лондон я должен был в 8 часов вечера 24 декабря. Что для нас 24 декабря? Неделя до Нового года. А для британцев это святой праздник — канун Рождества. Поезда не ходят. Самолеты не летают. Все сидят за столами и ведут рождественские беседы, а британские коты греются у каминов. Вот на такую рождественскую беседу я и попал в ночь на 25 декабря в Лондоне. За столом были в основном биологи. А тема сначала была вполне соответствующая моменту. Речь шла о непорочном зачатии. Поговорили об обстоятельствах этого события, о том, что это может значить в духовном смысле. Но профессия взяла свое, и незаметно съехали на биологические механизмы непорочного зачатия. Один из нас высказал соображение, что поскольку от Святого Духа хромосомного вклада не было, а только духовный стимул, то все, видимо, сводится к партеногенезу.

Партеногенезом называют развитие без оплодотворения. Есть разные пути партеногенеза. Иногда потенцию к развитию нового организма^ приобретает диплоидная, то есть содержащая удвоенный набор хромосом яйцеклетка. Такой путь называют амейотическим, так как здесь выпадает одна из важнейших стадий полового процесса: мейоз, который, как мы уже знаем (см.

«Гены и хромосомы»] в норме приводит к превращению диплоидных клеток зародышевого пути в гаплоидные, содержащие только одинарный набор хромосом. Благодаря мейозу, половые клетки самцов и самок становятся как бы дополнительными друг к другу: они содержат гаплоидные наборы хромосом, а при оплодотворении диплоидный набор восстанавливается.

Партеногенезом успешно размножаются многие виды животных, включая и позвоночных: некоторые рыбы и рептилии. У млекопитающих, в том числе и у кошек, и у человека, это явление пока не описано. Но если не описано, то это не значит, что его в принципе быть не может.

В ту рождественскую ночь мы немного поспорили о том, был ли партеногенез при непорочном зачатии мейотическим или амейотическим. Сошлись на том, что, по всей видимости, был он мейотическим. То есть прошли оба деления мейоза, а потом гаплоидное ядро яйцеклетки от духовного стимула удвоилось, возникла полноценная зигота.

Тут же, однако, появилось возражение, что таким путем могла родиться только девочка, а уж никак не мальчик, потому что Y- хромосому от матери не получишь. Действительно, откуда ей взяться, если в геноме женщины есть две половые хромосомы и обе они X. Это у мужчин есть и X, и Y-хромосомы, и именно поэтому они мужчины, а не женщины. Но из этого затруднения нашли выход. Допустили наличие мутации, которая направляет развитие эмбриона по мужскому пути даже при женской хромосомной конституции. Казалось бы, уже все обосновали, но тут-то и было сделано заявление, которое очень меня насторожило.

Один из участников беседы, иммунолог из Кембриджа, сказал, что в его институте работает д-р Азии Серани, который показал, что у млекопитающих, ну, скажем точнее — у мыши, партеногенетическое развитие из женского или из мужского ядра в принципе невозможно. Для нормального развития недостаточно иметь полный диплоидный набор хромосом: нужно обязательно получить один гаплоидный набор от матери, а другой — от отца.

Тут я должен сказать, что английский мой в тот момент оставлял желать лучшего. Когда говорил один человек, я еще понимал, но когда начинали говорить несколько человек, меня зашкаливало. После сообщения кембриджского иммунолога я подумал, что со мной именно сейчас это и произошло: настолько не вязалась его информация с моими прежними представлениями.

Я был искренне убежден, что для нормального развития нужен диплоидный набор хромосом, а откуда эмбрион этот набор получил, вообще говоря, неважно. Это мое убеждение основывалось на экспериментах, проведенных на дрозофиле, и на уверенности в старом принципе генетики «Что верно для дрозофилы, то верно и для слона». И, кроме того, я отчетливо помнил, какое сильное впечатление произвел на меня доклад выдающегося американского генетика Клемента Маркерта в 1978 году на Международном генетическом конгрессе в Москве.

Он рассказывал о своих экспериментах с яйцеклетками мыши. Маркерт удалял из оплодотворенной яйцеклетки хромосомы,

полученные от отца, заставлял оставшиеся материнские хромосомы удвоиться, и из таких яйцеклеток рождались нормальные мыши. Он показывал их фотографии! А тут вдруг мне говорят, что это невозможно!

Поэтому я обратился к иммунологу за персональными разъяснениями, благо мы сидели рядом. Конечно, теперь я понимаю, что поступил ужасно не по-английски. Так за общим столом себя не ведут. Но он любезно вошел в мое положение, сказал, что я понял его совершенно правильно, что открытие Маркерта не подтвердилось (по-английски это звучало «Боюсь, что оно не подтвердилось»). Но опровержение этой работы привело к очень неожиданным и интересным результатам.

Итак, чем занимался коллега моего застольного соседа доктор А. Серани? Он пытался получить партеногенетических мышат. Для этого он проводил микрохирургические операции на оплодотворенных яйцеклетках мыши.

Что представляет собой яйцеклетка мыши вскоре после оплодотворения? Внутри нее находится два ядра: гаплоидное ядро яйцеклетки, или материнский пронуклеус, и гаплоидное ядро сперматозоида, или отцовский пронуклеус. В тот момент, когда пронуклеусы лежат отдельно и не слились пока друг с другом, есть возможность тонкой пипеткой удалить один из них и заставить второй удвоиться. После всех этих процедур мы получаем оплодотворенную и тем самым индуцированную к развитию яйцеклетку, имеющую полный диплоидный набор хромосом (каждая хромосома, как и положено, присутствует в двух экземплярах). Но в отличие от нормальной оплодотворенной яйцеклетки, эта содержит хромосомы, полученные только от одного из родителей: только материнские, если мы удалили отцовский пронуклеус, или только отцовские. То есть, как видите, мы повторяем опыт Маркерта, о котором я вспоминал за рождественским столом.

Допустим, мы провели все эти процедуры корректно, ничего не повредив. Что будет с такой яйцеклеткой, если ее поместить в матку приемной матери? Она начинает развиваться. И на первых шагах это развитие будет протекать вполне нормально: эмбрион благополучно минует ранние стадии развития, успешно имплантируется в стенку матки. А вот когда уже половина эмбриогенезабудетпозади, такой однородительский

партеногенетический зародыш погибнет. Отчего? Чего ему не хватает для нормального развития до конца? Ведь он имеет полный набор хромосом, весь набор генов, тех же генов, что и зародыш, возникший нормальным путем. Может быть, это сказываются отдаленные последствия тех манипуляций, которые мы над ним проделывали: вынимали один пронуклеус, удваивали другой? Нет. Яйцеклетки, из которых сначала удалили, а потом вставили удаленный пронуклеус, развиваются до конца, из них получаются живые и нормальные во всех отношениях мыши. Чего же не хватает однородительским зародышам?

Кому чего. Одноматеринским зародышам не хватает для нормального развития внезародышевых образований: желточного мешка, амниона, трофобласта — тех самых эмбриональных структур, которые создают нормальный зародыш и которые обеспечивают его питание и связь с материнским организмом. Одноотцовские же эмбрионы, напротив, строят почти нормальные внезародышевые структуры, но не способны построить собственное тело. Естественно, и те, и другие гибнут.

Доктор Серани задался вопросом, нельзя ли попытаться скомпенсировать эти дефекты, создав комбинированный зародыш, который содержит как одноматеринские, так и одноотцовские клетки. Он получил однородительские яйцеклетки обоих типов. Дал им пройти одно-два деления в пробирке, затем разделил образовавшиеся клетки и перемешал их вместе. В результате всех этих манипуляций образовались мозаичные, или химерные зародыши, состоящие из смеси одноотцовских и одноматеринских клеток. Какова была судьба этих зародышей?

Все они дожили до 10-го дня, после чего были взяты в анализ. Оказалось, что сами эмбрионы состоят почти исключительно из одноматеринских клеток, их желточные мешки — из одноотцовских, а трофобласт состоит из смеси клеток обоих типов. То есть на 10-й день такие химерные зародыши вполне полноценны.

Однако, как оказалось дальше, полной компенсации дефектов клеток однородительского происхождения у таких зародышей не получается. Несмотря на то, что они вроде бы имеют все, что положено, пусть и с четким пространственным разделением клеток в зависимости от происхождения, завершения развития не происходит. Комбинированные эмбрионы гибнут.

В то же время плоды комбинирования нормальных клеток не имеют подобных проблем: их клетки располагаются в зародыше произвольно, вне зависимости от происхождения, развитие их идет совершенно нормально, они дают плодовитое потомство и благополучно доживают до глубокой старости.

Итак, что же выясняется в результате всех этих манипуляций с мышиными яйцеклетками? Для нормального развития мало иметь полный диплоидный набор хромосом, нужно получить один набор от отца, а другой от матери: однородительские партеногенетические эмбрионы нежизнеспособны. Мало иметь оба набора — отцовский и материнский: комбинированные эмбрионы, имеющие оба набора, но в разных клетках, также неспособны к нормальному развитию. Нужно иметь оба набора в каждой клетке организма. Таким образом, возможность непорочного зачатия и партеногенетического — однородительского — развития для млекопитающих полностью исключается.

Дело-то, в конце концов, не в непорочном зачатии, это не такая уж важная проблема, а в пересмотре одного из фундаментальнейших принципов генетики.

Этот великий принцип состоит в том, что гены, не меняясь, проходят через женский и мужской зародышевый путь. Для проявления гена не важно, от кого из родителей он получен. И основная масса генетических экспериментов и на дрозофиле [«Что верно для дрозофилы, то верно и для слона»), и на других объектах убедительно свидетельствовала в пользу этого постулата.

Встречались, правда, и исключения — когда проявление гена явно зависело от того, кто передал его потомку — мать или отец. Одно из таких исключений — поведение гена Тч> — «шпилечного хвоста» — локализованного в 17-й хромосоме мыши. Хвост у носителей этого гена и впрямь напоминал шпильку, если они получали его от отца. Если же ген доставался от матери, то его носитель погибал незадолго до рождения. Проявление гена совершенно явным образом зависело от его происхождения: отцовский ген нарушал развитие гораздо слабее (укорачивал хвост], чем материнский (укорачивал жизнь].

Похожее явление было обнаружено и на кошках. Мы уже говорили с вами о мутации бесхвостости, характерной для кошек с острова Мэн. И там последствия для потомка были более тяжелыми, если потомок получал ген от матери.

Прямо противоположное по знаку, но сходное по сути явление было обнаружено в ходе исследований, проведенных в Институте цитологии и генетики СО РАН А.О. Рувинским и мною на другой мышиной мутации Fu. В этом случае мутация проявлялась сильнее, если приходила от отца.

Известно, что тяжесть некоторых наследственных заболеваний у человека, таких, например, как хорея Хантингтона, в сильной степени зависит от родителя, который передает мутантный ген потомку: мать или отец. Есть и другие примеры такой разнокачественности отцовского и материнского геномов.

При нормальном оплодотворении каждый из родителей вносит по одному экземпляру каждой хромосомы: по одной первой хромосоме, по одной второй и так далее. Поэтому в каждой клетке эмбриона одна из хромосом каждой пары имеет отцовское происхождение, а другая — материнское. Однако, используя некоторые хромосомные перестройки, можно получать мышей, скажем, с двумя материнскими 17-ми хромосомами или с двумя вторыми отцовскими. Используя этот подход, исследователи А.П. Дыбан и В.С. Баранов из Санкт-Петербурга детально изучили вклад отдельных хромосом в развитие.

В некоторых случаях мыши с однородительским происхождением одной пары хромосом ничем не отличаются от своих нормальных собратьев. Это справедливо для 1-х, 4-х, 18-х и еще нескольких других хромосом. Но вот мыши с двумя материнскими 11-ми хромосомами (и не имеющие, естественно, ни одной 11-й хромосомы отцовского происхождения] оказываются при рождении гораздо мельче своих собратьев. В том же случае, если обе 11-е хромосомы достались от отца, эффект получается прямо противоположный.

Из этого следует уточнение нашей формулировки: проявление генов, локализованных в некоторых хромосомах мыши (а еще точнее, в определенных областях некоторых хромосом мыши] в сильной степени зависит от их происхождения — отцовского или материнского. Но если это так, то эти гены, проходя, через мужской или женский зародышевый путь, подвергаются специфической модификации таким образом, что их проявление становится комплементарным — дополнительным друг другу.

Понятно, что не все гены подвергаются родителеспецифической модификации. Поскольку раннее развитие партеногенетических зародышей протекает вполне нормально, можно думать, что все гены домашнего хозяйства и ранние регуляторные гены проявляются независимо от происхождения.

Более поздно проявляющиеся в развитии гены распадаются, видимо, на несколько групп в отношении их реакции на родительские модификации. Вы еще не забыли, что одноматеринские зародыши не способны образовывать внезародышевые структуры, а одноотцовские — тело самого эмбриона? Исходя из этого, можно думать, что гены, отвечающие за образование внезародышевых структур, могут быть активированы (даже не активированы, а предетерминированы к активации в нужное время) только в том случае, если несущие их хромосомы прошли модификации в зародышевом пути отца. Соответственно гены, регулирующие образование органов и тканей самого эмбриона (но не экстраэмбриональных органов), нуждаются в материнской модификации.

Наконец, существует, видимо, еще одна категория генов. На их наличие указывает нежизнеспособность химер из однородительских клеток. Эти гены должны взаимодействовать друг с другом, и их нормальное взаимодействие возможно только тогда, когда в одной и той же клетке есть гены, прошедшие отцовскую модификацию, и те же или другие гены, но модифицированные матерью.

Что же это за модификации и как они происходят? Чтобы разобраться в этом вопросе, обратимся к экспериментам по переносу генов в яйцеклетки млекопитающих. Об этих опытах уже много писали, поэтому я позволю себе только кратко напомнить их существо.

Как правило, работа начинается с выделения или синтеза гена — фрагмента ДНК — и получения его множественных копий. Потом несколько тысяч копий этого гена набирают в тонкую пипетку и аккуратно инъецируют в ядро оплодотворенной яйцеклетки.

Эти чужие гены иногда встраиваются в хромосомы и нередко даже начинают работать в новом хозяине. Если они встроились в определенную хромосому, то должны подвергаться той же родителеспецифичной модификации, что и вся эта хромосома или, по крайней мере, определенный ее участок.

Достоинство этой модели заключается в том, что мы можем внести известный нам ген в яйцеклетку, позволить ему интегрироваться в геном, размножиться в его составе в ходе клеточных делений, претерпеть все положенные модификации в зародышевом пути соответствующего родителя, получить потомков от такого трансгенного животного, а затем, выделив суммарную ДНК из клеток потомков, найти в ней этот самый ген и выяснить, что с ним произошло.

Именно по этому пути и пошли ученые. Они обнаружили, что чужой ген, пройдя через отцовскую линию, изменился. Нет, последовательность азотистых оснований в нем осталась прежней, но одно из них — цитозин — подверглось в некоторых позициях химической модификации за счет присоединения метильных групп.

О том, что метилирование играет чрезвычайно важную роль в регуляции работы генов, было известно давно. В частности, именно метилирование приводит к инактивации одной из X хромосом у самок млекопитающих. Здесь же было показано, что этот процесс происходит по-разному в зависимости от того, через мужской или женский зародышевый путь проходит тот или иной ген. Можно думать, что именно разная степень метилирования определяет дополнительность генов отцовского и материнского происхождения.

Можем ли мы как-то влиять на этот процесс, управлять им, направленно и необратимо менять проявление генов у потомков, предсказывать судьбу переносимых генов в зависимости от места их интеграции? Не знаю. Но узнать это чрезвычайно важно.

Судите сами, мы сейчас уже можем выявлять носителей генов наследственных заболеваний. Но задача исправить дефектный ген пока невыполнима. И я боюсь, что она еще долго останется таковой. А может быть, и не надо его исправлять, а можно вмешаться в его модификацию при прохождении его через родителя, перехватить его по дороге и модифицировать таким образом, чтоб он не смог оказать своего вредного действия? Или, наоборот, усилить экспрессию нормального гена? Та же проблема с чужими генами, которые мы сейчас пытаемся переносить лабораторным и сельскохозяйственным животным.

Ведь вопрос часто не в том, чтоб выделить нужный ген, и внести его в яйцеклетку и получить его проявление у животного, которое разовьется из этой яйцеклетки, а в том, чтобы он передался в активном состоянии потомкам. Может быть, можно снабдить этот вносимый ген какими-то метками, которые обеспечат его модификацию в нужном нам направлении? Конечно, не следует сразу браться за человека. Начинать бы следовало с кошки, которая больше, чем мышь, похожа на человека и имеет очень сходный с ним спектр наследственных заболеваний (см. главу 2).

Принципиально здесь то, что мы могли бы не вмешиваться в первичную последовательность гена, а пытаться влиять на механизм его модификации в онтогенезе. Вернее, мы сможем попытаться повлиять, если поймем, как он модифицируется, и что управляет этим процессом, и почему управляет по-разному в мужском и женском зародышевых путях.

Сейчас мы можем с уверенностью сказать, что у человека родительская модификация генов происходит точно так же как и у всех остальных млекопитающих. Это было убедительно показано в целом ряде исследований. Более того, было установлено, что набор генов, которые по-разному метилируются при образовании мужских и женских гамет, очень сходен у всех исследованных млекопитающих.

И набор этот весьма показателен. Оказалось, что отцовская модификация направлена на активацию генов эмбриона, обеспечивающих ему (эмбриону) интенсивный рост. Материнская модификация, напротив, активирует гены эмбриона, которые тормозят рост. Было много попыток объяснить смысл этих различий в отношении отцов и матерей к собственному потомству.

Одно из объяснений выглядит так. Абсолютное большинство млекопитающих относится к многоплодным животным, т.е. в матке, как правило, одновременно развивается несколько эмбрионов. Все эмбрионы, развивающиеся в одной матке, естественно являются потомками той самой матери, которая их вынашивает. Однако, разные эмбрионы, вынашиваемые одной матерью, могут быть потомками разных отцов. Те из них, что растут быстрее, потребляют больше ресурсов, часто в ущерб матери и другим эмбрионам, которые растут медленнее. Поскольку отец никогда не может быть абсолютно уверен, что все эмбрионы, которые развиваются в матке его супруги, являются его потомками, он так модифицирует гены своих потомков, чтобы максимизировать темпы их эмбрионального роста. Судьба остальных эмбрионов его не волнует. Материнская модификация направлена на выравнивание шансов на жизнь всех ее потомков. По существу, это противодействие отцовской модификации генома потомков, направленной на получение незаконных преимуществ.

Вообще, это довольно типично для самцов - решать свои проблемы за счет самок. И естественно, у самок эта тактика вызывает обоснованные возражения. В том же Лондоне я видел огромный плакат феминисток с таким текстом: «Если они отправили одного мужчину на Луну, отчего бы не отправить туда же их всех?»

У меня было много дебатов с британскими феминистками по разным аспектам их освободительного движения, в том числе и по этой проблеме. Я ставил им беспощадный вопрос:

А как же вы, голубушки, будете размножаться, если вы нас всех выселите на Луну?

Партеногенезом, — гордо отвечали они.

А не выйдет у вас ничего! — злорадно говорил я и рассказывал о печальной судьбе партеногенетических мышей.

Ну и ладно, — легкомысленно отвечали они, — а мы тогда расклонируемся.

Тогда клонирование млекопитающих было далекой мечтой, но сейчас оно стало реальностью. Нет, человека пока никто не клонировал, и я надеюсь, что этого никогда не будет. А вот кошку уже клонировали.

Первая клонированная кошка по имени СС (Carbon Сору) или Копирка родилась 22 декабря 2001 года в США. Оригиналом для копирования выбрали черепаховую кошку с белым пятном (0oS_) по имени Радуга. Их яичника Радуги выделили яйцеклетки и кумулюсные клетки. Из каждой яйцеклетки удалили ядро и заместили его ядром, выделенным из кумулюсной клетки. Реконструированная яйцеклетка была затем стимулирована к развитию электрошоком и трансплантирована в матку серой полосатой суррогатной матери. От нее и родилась Копирка.

По генотипу она была точной копией кошки по имени Радуга, но вот по фенотипу она отличалась от оригинала: у нее не было рыжих пятен. Авторы статьи о создании Копирки довольно уклончиво объясняли это отличие копии от оригинала: «Характер пигментации у многоцветных животных определяется не только генетическими факторами, но факторами развития, не

контролируемыми генотипом». Это можно понимать как угодно.

Я это понимаю так. В кумулюсной клетке, из которой было взято ядро для создания Копирки была инактивирована X хромосома несущая аллель рыжей окраски, а нормальная X хромосома была активна. Мы с вами уже говорили о том, что состояние X хромосомы стойко передается в ряду соматических клеток. В случае с копиркой поразительно то, что перенос ядра соматической клетки в яйцеклетку не привел к реактивации X хромосомы. Следовательно, процедура клонирования не приводит к полному репрограммированию ядра. Может быть, с этим и связаны проблемы со здоровьем и размножением у клонированных животных. Правда, Копирка на здоровье не жалуется. Ей сейчас уже 7 лет. В 2006 году она произвела естественным путем трех котят.

Компания Genetic Savings & Clone, которая финансировала создание Копирки, попыталась сделать на этом бизнес. К сожалению, клиент не пошел. Компании удалось продать одну клонированную кошку за 50000 долларов, другую за 32000 и на этом дело закончилось. В 2006 г компания закрылась.

Однако клонирование кошек продолжалось в Южной Корее. Там первую кошку клонировали в 2004 году. Корейские исследователи рассматривали ее не как самоцель, а как промежуточный этап в решении другой, гораздо более амбициозной задачи. Их интересовало получение GM (генетически модифицированных) * кошек. Они выделили клетки соединительной, ткани - фибробласты - из кусочка уха белого ангорского кота.' Фибробласты культивировали в питательной среде, в которую был добавлен мобильный генетический элемент. Этот элемент содержал ген синтеза красного флуоресцентного белка. После того, как мобильный элемент проник в ядра фибробластов и встроился в хозяйскую ДНК, эти ядра выделили и перенесли в яйцеклетки, из которых предварительно удалили собственные ядра. Из этих реконструированных яйцеклеток развились два GM котенка, у которых красный флуоресцентный белок синтезируется практически во всех клетках тела. В ультрафиолете эти коты светятся мистическим красным светом. Статья об этих котах была опубликована в 2007 году в журнале Biology of Reproduction (Биология размножения). Интересна последняя фраза в этой статье. «Данная технология будет полезна для направленного создания моделей наследственных болезней человека и «дизайнерских котов».

Мне трудно представить, сколько будут стоить такие дизайнерские коты и кому они понадобятся. При этом меня ничуть не пугают генетически модифицированные кошки. Ведь если подумать, то все кошки в мире генетически модифицированные. В следующих главах я расскажу вам о том, как они были модифицированы эволюцией и селекцией.