Вплоть до этого момента я достаточно ясно давала понять, что мамонтов не будут возрождать путем клонирования. Так что сейчас мои слова могут сбить вас с толку. Следующим этапом возвращения мамонта к жизни будет создание клона.

В свою защиту скажу, что клетки, которые мы будем клонировать на этом этапе, будут очень сильно отличаться от тех, которые японская и южнокорейская группы надеются найти и использовать в своих экспериментах по клонированию. К тому моменту, как мы дойдем до этой стадии восстановления вымерших видов, позади у нас, вероятно, будут годы (даже десятилетия) работы в лаборатории, где нам предстоит кропотливо проектировать и вносить изменения в геномы клеток слона. Мы не начнем свои эксперименты по клонированию с чудом сохранившихся клеток мамонта. Тем не менее следующим шагом восстановления вымершего вида будет «клонирование» клеток и, следовательно, превращение их в полноценного слона (с некоторым количеством генов мамонта).

Разумеется, в рамках отдельных проектов возрождения вымерших видов ученые смогут пропустить этап редактирования генома и перейти непосредственно к клонированию. Такие проекты смогут продвигаться намного быстрее, чем те, в которых без геномной инженерии не обойтись. Разумеется, это просто означает, что они первыми столкнутся со следующим препятствием. Рассмотрим его на примере букардо.

 

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.

Возрождение вымерших видов путем ядерного переноса

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.

Создание букардо

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.

Пугливые козероги и гибридное решение

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.

Непредвиденные преграды на пути восстановления вымерших видов

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.

 

Проблемы мамонтов

Теперь, когда я познакомила вас с некоторыми препятствиями, ожидающими нас на стадиях клонирования и внутриутробного развития клонированного животного, давайте вернемся к примеру мамонта. Как я рассказала в предыдущей главе, сейчас у нас имеется технология, позволяющая отредактировать геном слона таким образом, чтобы он содержал по меньшей мере несколько генов мамонта. Допустим, что мы отредактировали геном либо стволовой клетки, либо клетки, которую можно перепрограммировать, превратив в стволовую. Тогда пора переходить к следующему этапу: созданию животного с отредактированным геномом и (будем надеяться) признаками, которые мы собирались возродить.

Чтобы этот этап завершился, клетка должна превратиться в эмбрион, и поскольку мы не можем вырастить слона в лаборатории, этот эмбрион нужно будет пересадить суррогатной матери. Далее зародыш должен имплантироваться в стенку матки и тем самым положить начало беременности. Эта беременность, в свою очередь, должна протекать благополучно и завершиться рождением здорового детеныша, с геномом, содержащим несколько тщательно отобранных и с большим трудом встроенных туда генов мамонта.

Простейший способ превратить отредактированную клетку в эмбрион – это использовать яйцеклетку. Мы знаем, что яйцеклетки содержат белки, активирующие, то есть перезагружающие, дифференцированные клетки, снова превращая их в эмбриональные стволовые. Неудивительно, но для активации отредактированной клетки слона лучше всего подходит слоновья яйцеклетка. Добыть ее не так уж просто. Во время овуляции организм индийской слонихи вырабатывает всего одну яйцеклетку. Эта яйцеклетка проходит по репродуктивной системе в матку, которая, предсказуемо, имеет слоновьи размеры. У небеременной слонихи овуляция происходит один раз в 2–3 месяца. Учитывая малую эффективность ядерного переноса, разумно будет предположить, что, собирая одну яйцеклетку раз в 2 месяца (если нам удастся найти эту яйцеклетку в половых путях слонихи), мы не получим достаточного их количества. Нам понадобятся сотни, если не тысячи, слоновьих яйцеклеток, чтобы наш метод сработал. Откровенно говоря, это кажется нечестным. Слоны изо всех сил стараются размножаться, чтобы поддерживать здоровье своих популяций. Последнее, что им нужно, – это чтобы мы рыскали вокруг их яичников и воровали их драгоценные созревшие яйцеклетки. На самом деле если бы это был единственный способ добыть слоновьи яйцеклетки, я бы посчитала, что исследования для проекта восстановления мамонта нужно немедленно прекратить.

К счастью, похоже, есть и другой путь. В 1998 году исследователи из Университета Пердью и Института репродуктивной медицины при медицинском центре «Методист» в Индианаполисе создали мышей, организмы которых способны вырабатывать слоновьи яйцеклетки. Руководитель исследования, доктор Джон Кристер, искал способ увеличить скорость размножения видов, находящихся под угрозой исчезновения, и надеялся, что хорошим началом будет убедить лабораторных мышей выращивать слоновьи яйцеклетки. Ученые из его группы пересадили лабораторным мышам участки ткани яичников (ткань, в которой содержатся незрелые яйцеклетки), взятые у трех трупов южноафриканских слоних. У нескольких из этих мышей образовались фолликулы, вырабатывающие яйцеклетки, и спустя 10 недель один из этих фолликулов породил слегка деформированную слоновью яйцеклетку. Кристер с коллегами не пытались оплодотворять эту яйцеклетку спермой слона, так что нельзя сказать, развился бы из нее жизнеспособный эмбрион или нет. Но это хороший старт.

Будем надеяться, что ученым удастся изобрести эффективный способ получать большое количество слоновьих яйцеклеток, не подвергая никаких слонов риску. Затем мы смогли бы собрать тонну (возможно, буквально) слоновьих яйцеклеток, удалить из них ядра и вставить на их место другие, содержащие отредактированные нами геномы. Затем мы сможем расслабиться, позволив перепрограммирующей магии яйцеклеток вступить в дело. Если этот этап пройдет благополучно и в результате мы получим жизнеспособные, развивающиеся эмбрионы слонов (со слегка модифицированными геномами), мы перенесем эти эмбрионы в матки взрослых слоних, где они смогут развиться в новорожденных слонят (со слегка модифицированными геномами).

Вход в матку слонихи прикрыт плевой, называемой гименом. У слоних гимен остается на месте в течение всей беременности, разрывается во время родов, а затем вырастает заново во время подготовки организма к следующим родам. Чтобы у суррогатной матери-слонихи развилась здоровая беременность, эмбрион и тот инструмент, которым его доставят в матку, должны пройти сквозь единственное отверстие в гимене – четырехмиллиметровое окошко, предназначенное только для проникновения спермы, – не повредив плеву и не поставив тем самым беременность под угрозу.

Предположим, что это возможно. Предположим также, что беременность установилась и эмбрион начал свое развитие. Следующим шагом будет терпеливое ожидание. Обычно беременность у индийских слонов длится от 18 до 22 месяцев. Будем надеяться, что в этот период между эмбрионом и суррогатной матерью не возникнет никаких проблем совместимости. Будем надеяться, что генетическое строение матери не повлияет на экспрессию генов, которые мы изменили. Понадеемся также, что ее характер питания, гормоны и уровень стресса не изменят среду, в которой развивается эмбрион, и не повлияют на экспрессию генов, которые мы изменили. Наконец, понадеемся, что роды пройдут успешно как для суррогатной матери, так и для новорожденного.

Размер имеет значение

Планируя эксперимент по межвидовому клонированию, важно учитывать физические различия между двумя видами, вовлеченными в эксперимент. Мамонты, жившие в эпоху позднего плейстоцена, существенно отличались друг от друга по величине. Самые крупные из них имели примерно такие же размеры, как крупные африканские слоны, а самые мелкие были такими же, как средний индийский слон, или даже меньше. Мы не знаем, были ли эти отклонения в размерах генетически обусловлены или они просто отражали различия в количестве и качестве доступной мамонтам пищи. В любом случае, эти отличия, вероятно, будет важно учесть при выборе суррогатной матери. Интересно, что обе найденные нами мумии мамонтят в высоту имели около 90 сантиметров – это примерно соответствует размеру новорождённого индийского слоненка. Следовательно, самой подходящей суррогатной матерью для мамонтенка стала бы представительница вида слонов, находящегося в наиболее близком родстве с мамонтами.

Различия в размерах могут привести к проблемам во время беременности и при родах. Представьте, к примеру, что самку чихуахуа оплодотворили спермой немецкого дога. Эмбрионы могут начать развиваться, заполняя все доступное им пространство, но как только свободное место закончится, их развитие прекратится. В конечном итоге могут умереть как эмбрионы, так и мать или даже все вместе. При попытке родить естественным образом мать почти наверняка будет ужасно мучиться. Возвращаясь к возрождению вымерших видов: что случится, если очень крупный зародыш тура будет развиваться в матке домашней коровы, имеющей куда меньшие размеры? Или если дюгонь попытается выносить стеллерову корову? При выборе суррогатной матери определенно нужно учитывать различия в размерах между представителями разных видов, даже когда речь идет о близких родственниках.

Одно из решений заключается в том, чтобы создать миниатюрные версии некоторых исчезнувших видов. Мы можем определить, какие гены или наборы генов наиболее важны для определения размеров тела, и немного изменить их путем редактирования генома. Полезная информация о том, какие гены должны стать нашей целью, может обнаружиться в ходе генетического анализа популяции мамонтов, живших на Островах Чаннел в Калифорнии. Эти так называемые карликовые мамонты вырастали только до 2 метров в холке и, вероятно, весили менее 800 килограммов, в то время как мамонты с материка достигали 4 метров в высоту и весили более 9 тысяч килограммов. Но у этой идеи есть один недостаток. Маленькие мамонты из-за своего размера могут оказаться не способны воспроизвести экологические взаимодействия, имевшие место между «нормальными» мамонтами и экосистемами, в которых они жили. Следовательно, возродив карликовых мамонтов, мы можем не добиться экологической цели, которую преследует восстановление этого вида.

Еще одно возможное решение состоит в том, чтобы полностью отказаться от суррогатных матерей и использовать вместо этого искусственные матки. Здесь я представляю себе нечто наподобие тех искусственных маток, в которых выращивали детей в книге «О дивный новый мир» Олдоса Хаксли. Или, еще лучше, гигантских резервуаров, наполненных питательными веществами, в которых на планете Камино выращивали клонированных людей для борьбы на стороне добра в фильме «Звездные войны: Эпизод 2». В варианте с искусственными матками эмбрионы будут развиваться до конца своего срока в полностью искусственной среде, – эта концепция известна как эктогенез. Современной медицине еще далеко до создания функциональных искусственных маток и успешного эктогенеза, однако не стоит сомневаться, что новые разработки в этой области существенно повлияют на неонатальную и перинатальную медицину. Кроме того, используя искусственные матки, мы полностью избежим любых страданий, которые причиняет животным суррогатное материнство. Однако этот вариант предполагает, что пребывание в условиях настоящей матки некритично для нормального развития млекопитающего. Так ли это, наука пока не знает.

 

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

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?