что называют клонами а что клонированием какую роль в природе играет клонирование

Клонирование. Просто о сложном

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: 27 февраля 1997 года журнал Nature опубликовал статью эмбриолога и генетика Йэна Уилмата и его коллег об успешном клонировании овечки Долли. С этого момента не прекращались споры о целесообразности и этичности опытов по клонированию многоклеточных организмов. В том числе обсуждались вопросы клонирования человека.

Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «био/мол/текст»-2019.

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

Такие слова, как «клонирование» и «клон», могут вызывать различные ассоциации, начиная от фантастических образов одинаковых людей из известного телесериала и, заканчивая историей появления на свет овечки Долли [1]. Но что же такое клон на самом деле?

Клон — группа генетически идентичных организмов или клеток. Если гены идентичны, то, по сути, клоны — одинаковые существа. «Под ударом» оказывается уникальность отдельного многоклеточного организма, в том числе, возможно, и человека [2].

Сегодня существует ряд этических преград для дальнейшего развития клонирования, тем более в отношении человека. Некоторые мировые религии считают клонирование человека недопустимым. В некоторых странах клонирование запрещено вообще. В части стран запрещено клонирование, при котором воспроизводится целый многоклеточный организм [3].

И хотя предметом споров является клонирование многоклеточных организмов, необходимо понять значение термина «клонирование» в широком смысле слова.

Клонирование в биологии — это появление естественным или искусственным путем нескольких генетически идентичных живых организмов. Термин в том же смысле нередко применяют по отношению к одноклеточным организмам и клеткам многоклеточных организмов.

Термин «клонирование» применим как к растениям, так и к животным. Все идентичные организмы, созданные путем клонирования, называют клонами.

Термин «клонирование» можно использовать в двух значениях.

Естественное клонирование

В действительности, клонирование свойственно и растительному, и животному мирам. Например, вегетативное размножение растений, деление бактерий, клональное размножение ящериц. В том числе рождение близнецов у людей — тоже пример естественного клонирования.

Искусственное клонирование

Это группа методов, при которых целенаправленно создаются клоны молекул, клеток, многоклеточных организмов.

Бактериальное клонирование — это целенаправленное создание и выращивание бактериальных клонов для биотехнологий.

Молекулярное клонирование, при котором получают клоны фрагмента ДНК, а затем вставляют в необходимые клетки.

Искусственное клонирование многоклеточных организмов. При этом виде клонирования можно создать клоны клеток, тканей, целого органа или даже организма. Именно искусственное клонирование многоклеточных организмов является предметом споров и разногласий научного сообщества, религии, и предметом этой статьи.

Немного о биологии размножения многоклеточных организмов

Совокупность наследственного материала клетки называется геномом. Многоклеточные организмы — эукариоты. Одной из особенностей эукариотических клеток является то, что наследственный материал находится в ядре клетки в виде хромосом, а также в виде кольцевидной ДНК в митохондриях.

Хромосома — нитевидная структура, состоящая из ДНК и белков. Именно ДНК несет генетическую информацию. Например, в ядре клеток человека содержится 23 пары хромосом (то есть всего 46) [4]. В половых клетках человека содержится половина — 23 хромосомы. При соединении двух половых клеток — маминой и папиной — получается клетка зигота с 46-ю хромосомами (рис. 1). Зигота дает начало всем будущем клеткам и тканям организма. Таким образом, в естественных условиях все клетки многоклеточного организма несут генетическую информацию от своих отца (мужской гаметы) и матери (женской гаметы) [5]. Клетки, содержащие 23 хромосомы, называются гаплоидными, а содержащие все 46 хромосом — диплоидными. В организме млекопитающих все клетки, кроме половых, являются диплоидными соматическими [4], [6].

Рисунок 1. Результат оплодотворения — зигота человека

У разных млекопитающих — разное количество хромосом (см. табл.).

При клонировании нет процесса оплодотворения (слияния) двух половых клеток. У этого многоклеточного организма (клона) не будет отца и матери в общепринятом смысле слова. У него будет один генетический «родитель». Тот, чье ядро использовалось для клонирования.

Немного истории клонирования

У клонирования сложный и тернистый путь.

Можно сказать, что одной из основ клонирования является клеточная теория, разработанная Теодором Шванном в 1839 году. В 1866 году вышла статья Грегора Менделя по селекции растений, в которой впервые говорится о «единице информации». Таким образом были заложены основы генетики. В 1886 году профессор-зоолог Московского университета А.А. Тихомиров обнаружил возможность развития шелковичного червя из неоплодотворенного яйца. В 1892 году Г. Дриш впервые изучил, что происходит с генетическим материалом клетки во время ее деления, на бластомерах морского ежа. Группой ученых также было доказано, что генетическая информация содержится в ядре. В 1902 году два независимых исследователя, У. Саттон и Т. Бовери, описали хромосомы и объявили, что «единицы информации» Менделя находятся в хромосомах. В 1909 году Вильгельм Йоханнсен дал название этим «единицам информации». С этого момента они стали называться генами. В том же 1909 году советский ученый-гистолог А.А. Максимов впервые использовал термин «стволовая клетка» для клетки, которая дает начало другим клеткам. В 1910 году Томас Хант Морган начал определять расположение различных генов в хромосомах мушек. Можно смело сказать, что указанные исследования внесли фундаментальный вклад в развитие всех наук о живом, а также заложили основы клонирования.

В 40-х годах прошлого века советский ученый-эмбриолог Г.В. Лопашов проводил эксперименты по переносу клеточных ядер в энуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку земноводных. Аналогичные работы с земноводными проводили эмбриологи Т. Кинг и Р. Бриггс в США. В 50-х годах английский эмбриолог Д. Гордон пересаживал ядра соматических клеток в яйцеклетки лягушки. В 1963 году Тонг Дизхоу получал клоны карпа. В 1975 году были опубликованы результаты успешной работы Д. Бромхола по клонирования кроликов. В 1983 году Л.А. Слепцова и ее коллеги клонировали костистых рыб (вьюнов). В 80-х годах прошлого столетия ученый С. Вилладсен провел серию успешных опытов по клонированию сельскохозяйственных животных путем переноса в яйцеклетку ядра зародыша. В 1997 году Йэн Уилмат и Кейт Кэмпбелл из Шотландии объявили о прорыве: проведено клонирование овцы с использованием соматической, не зародышевой, клетки [1], [7]!

Долли — самка овцы, первое млекопитающее, которое смогли клонировать из зрелой соматической клетки путем замещения ядра. Технология получения этого клона была следующей.

При клонировании Долли использовали клетки двух «родителей» и «суррогатную мать» — еще одну самку овцы. От одного «родителя» брали яйцеклетку, из которой удаляли ядро. От второго брали ядро, извлеченное из соматической клетки (вымени). Внутрь безъядерной яйцеклетки первой овцы вводили ядро зрелой соматической клетки другой овцы. Затем физическим (электрическим) методом провоцировали процесс деления и образования эмбриона (рис. 2). После чего эмбрион переносили в матку «суррогатной матери» — овцы.

Рисунок 2. Схема клонирования овцы Долли

Потребовалось очень много попыток клонирования, прежде чем на свет появилась Долли. Ученые — биологи из Шотландии Йэн Уилмат и Кейт Кемпбелл — по праву могут считать себя «Родителями» Долли [1]. В 2003 году Долли пришлось усыпить из-за заболевания легких и артрита. После этого ее забальзамированное тело было выставлено в Королевском музее Шотландии.

В вопросе о клонировании остается много сложного и спорного. Необходимо соблюсти все этические нормы по отношению к живому [8]. Но исследования наверняка будут продолжаться. А мы должны понимать, что за словом «клонирование» скрываются не научно-фантастические рассказы, а реальная технология, которая может принести и практическую пользу.

Например, клонирование может помочь получить животных и растения с необходимыми параметрами, такими как плодовитость, устойчивость к болезням. Опыты с клонированием могут помочь в лечении болезней. Очень интересной является перспектива использования клонирования для восстановления популяции вымерших или вымирающих видов. Отдельного внимания заслуживают опыты терапевтического клонирования — получение культуры стволовых клеток для разработки новых методов терапии тяжелых заболеваний, например, онкологических [7].

Источник

Споры о клонировании: безопасна ли еда из клонов, спасут ли вымирающие виды и мучаются ли «скопированные» животные

Клонирование появилось более пятидесяти лет назад, и технология после этого развивалась очень динамично. Сами эксперименты и новости из этого мира до сих вызывают очень много споров — и с точки зрения этики, и с точки зрения принятия обществом. Несмотря на то, что в США формально разрешили клонировать сельскохозяйственных животных и употреблять в пищу продукты, произведенные из них, американское общество выступает категорически против. В большинстве стран создание идентичных особей вызывает опасения и страх, а критики отмечают, что учеными до сих пор неизвестно, каких именно животных нужно клонировать, и как защитить целое стадо одинаковых животных от одного патогена, если речь идет об особях без генетического разнообразия. «Хайтек» изучил как развивалось клонирование и к чему мы пришли сейчас.

Читайте «Хайтек» в

Что такое «клон» и бывает ли клонирование в природе

Термин «клонирование» — очень широкий, им можно описать сразу несколько методов, которые используют для получения генетически идентичных копий биологического объекта. Если перевернуть определение: материал или организм, имеющий тот же генетический состав, что и оригинал — это и есть клон.

Причем клонирование происходит и в природе — некоторые растения и одноклеточные организмы производят генетически идентичных потомков бесполым размножением. Природные клоны — это, например, идентичные близнецы, которые встречаются у людей и других млекопитающих. Они образуются в случае, когда оплодотворенная яйцеклетка расщепляется, образуя два или несколько эмбрионов, несущих почти идентичную ДНК. Однако зародыши не обязательно полностью идентичны друг другу, они могут отличаться набором приобретенных в процессе деления мутаций.

Тот же процесс можно повторить искусственно, он бывает трех типов: клонирование генов, репродуктивное и терапевтическое клонирование. Генное клонирование производит копии генов или сегментов ДНК. Репродуктивное позволяет получить копии целых животных. Терапевтическое позволяет получать эмбриональные стволовые клетки для экспериментов по созданию тканей, заменяющих поврежденные или больные. Клонирование генов, также известное как клонирование ДНК, — это процесс, сильно отличающийся от репродуктивного и терапевтического клонирования. Репродуктивное и терапевтическое имеют много общих техник, но они применяются для разных целей.

Можно ли клонировать своих питомцев и какими получатся их клоны

За последние 50 лет ученые провели эксперименты по клонированию животных с использованием различных методов. В 1979 году исследователи создали первых генетически идентичных мышей, разделив эмбрионы в пробирке и имплантировав их в матки взрослых мышей. Вскоре после этого ученые создали первых генетически идентичных коров, овец и цыплят, переместив ядро клетки, взятое из раннего эмбриона, в яйцо, которое было лишено ядра.

Однако только в 1996 году исследователям удалось клонировать первое млекопитающее из зрелой клетки взрослого животного. После 276 попыток шотландские исследователи наконец-то вывели Долли — поп-пример достижения технологии искусственного клонирования. Исследователи взяли клетку вымени овцы и генетический материал этой клетки «подсадили» в яйцеклетку, взятую у другой овцы. При этом свой генетический материал из этой яйцеклетки был предварительно удален. Ее перенесли в матку третьей овцы, которая выносила Долли. Через два года японские исследователи клонировали восемь телят от одной коровы, но только четыре из них выжили. Помимо крупного рогатого скота и овец, из соматических клеток ученые смогли клонировать кошек, оленей, собак, лошадей, мулов, волов, кроликов, крыс и других млекопитающих.

Голливудская звезда, двукратная обладательница премии «Оскар» Барбра Стрейзанд призналась, что клонировала свою собаку Саманту, которая умерла в 2017 году. Сэмми была редкой породы котон-де-тулеар. Актриса получила её от своего супруга, актера Джеймса Бролина, на пятую годовщину свадьбы. Саманта прожила 14 лет. Генетический материал для клонирования был взят из пасти и желудка незадолго до смерти.

Теперь у актрисы живут три собаки: два клона Саманты и еще одна котон-де-тулеар по кличке Мисс Фанни.

Безопасно ли молоко клонированных коров и почему в магазинах еще нет продуктов от клонов

Репродуктивное клонирование — другой метод, который позволяет исследователям делать копии животных с потенциальной выгодой для медицины и сельского хозяйства.

Например, те же шотландские исследователи, которые клонировали Долли, создали клоны других овец, подвергшихся генетической модификации для получения молока, содержащего человеческий белок, необходимый для свертывания крови. Есть надежда, что когда-нибудь этот белок может быть очищен от молока и отдан людям, чья кровь не свертывается. На животных можно тестировать лекарства — их преимущества в том, что новые методы и вещества будут действовать на них так же, как и на их предков.

Сельское хозяйство тоже делает ставку на клонирование: после консультаций со многими независимыми учеными и экспертами, Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами США (FDA) в январе 2008 года приняло решение о том, что мясо и молоко клонированных животных являются безопасными. Это значило, что исследователи теперь могут свободно использовать методы клонирования для создания копий животных с нужными характеристиками, такими как высокое производство молока или нежирное мясо. Но поскольку клонирование все еще очень дорогостоящее, вероятно, потребуется много лет, прежде чем продукты питания от клонированных животных появятся в супермаркетах. Скорее всего, быстрее там окажутся продукты, которые получили от потомков клонов.

Критики — например, из общества Human Society высказали возражения, считая, что исследования FDA были «неадекватными, неоправданно ограниченными и сомнительными с научной точки зрения». Несколько групп потребителей-консультантов работают над созданием программы отслеживания, которая позволит потребителям лучше узнать о продуктах клонированных животных в их пище.

При этом эти продукты даже не будут маркироваться, по крайней мере в США. Политика маркировки Управления по контролю за продуктами питания и медикаментами требует этого только в том случае, если произошли «существенные изменения в их составе питания или если произошли какие-либо изменения в других связанных со здоровьем характеристиках», таких как аллергенность или токсичность. Но молоко и мясо клонированных животных и их потомков эквивалентны их аналогам.

Ученые надеются клонировать и животных, которые почти вымерли или давно вымерли — такие эксперименты уже успешно проводились. Хотя некоторые эксперты считают, что клонирование может спасти многие виды, которые иначе исчезли бы, другие утверждают, что в результате клонирования образуется популяция генетически идентичных особей, не имеющих изменчивости, необходимой для выживания.

Почему люди выступают против клонирования животных и причем тут человеческие клоны

Большая часть этических вопросов возникает потому, что ту же технологию можно использовать для клонирования человека. Основные мировые религии не имеют выраженного отношения к клонированию животных. Ведущие мусульманские и еврейские мыслители также сходятся во мнении, что клонирование приемлемо для соответствия стандартам кошерности и халяльности.

При этом общество в России довольно радикально относится к клонированию: 40% россиян считает клонирование живых организмов «опасным экспериментом с непредсказуемыми последствиями». Среди женщин этот процент еще выше. Однако 47% участников исследования убеждены в том, что клонирование — научный прорыв. Среди молодёжи до 20 лет этот показатель достигает 60%.

При этом в России формально эксперименты по клонированию животных не запрещены. В то же время в 2015 году Европарламент проголосовал за постоянный запрет на клонирование любых сельскохозяйственных животных, импорт и продажу продуктов питания из таких животных и их потомства. Парламентарии отмечали, что «технология клонирования несовершенна, и ее последствия недостаточно изучены, много рождённых с его помощью животных мучаются и быстро умирают». Против употребления их в пищу выступает, согласно опросам, большинство граждан ЕС.

Согласно исследованиям Университета Пью, американские потребители мало что знают о биотехнологиях, но более решительно выступают против клонирования животных — гораздо резче, чем против генетически модифицированных растений. В их докладе отмечается, что 64% американцев испытывают дискомфорт в связи с клонированием животных, в то время как 22% считают, что эта технология бесспорно полезна.

Сторонники этого процесса утверждают, что клонирование животных тщательно изучалось на протяжении десятилетий и было доказано, что является безопасным. Пол Томпсон, доктор философии, заведующий кафедрой сельскохозяйственной, пищевой и общественной этики университета штата Мичиган, считает, что противодействие клонированию животных можно частично объяснить негативными чувствами, связанными с концепцией клонирования человека. По его словам, общественность может также рассматривать клонирование как неестественную практику, при которой животные воспринимаются «больше как вещи, чем как существа».

Этик Бернард Роллин, доктор философии, отмечает, что клонирование животных может иметь непредвиденные последствия — например, ускорение монокультуры в животноводстве. Новый патоген может уничтожить все стада из-за отсутствия генетического разнообразия среди животных. Более того, откуда можно точно знать, какое животное нужно клонировать? «После многочисленного клонирования может выясниться, что у него есть генетическое заболевание», — объясняет доктор Роллин, профессор философии в Университете штата Колорадо.

Оба ученых при этом сходятся в том, что сторонники клонирования в научном и деловом сообществе не могут надлежащим образом информировать общественность об инновациях, что приводит к непониманию и страху. «Важно не просто объявить о таком замечательном открытии, как клонирование, — отмечает доктор Томпсон, но действительно объяснить, почему эта технология важна и что она может изменить».

Источник

Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал

Молекулярное клонирование, или как засунуть в клетку чужеродный генетический материал

Клонирование овечек имеет лишь самое опосредованное отношение к молекулярному клонированию. На фоне овечки Долли показана плазмида phMYT1L-N106.

коллаж автора статьи

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Огромное количество биологических исследований начинается с того, что в клетку вносится чужеродный генетический материал. Это действие называется молекулярным клонированием. С его помощью можно получить генетически модифицированные организмы, включить и выключить отдельные гены или определить роль конкретного белка в каком-нибудь процессе. Можно сказать, что молекулярное клонирование — это краеугольный камень, основа основ, фундамент, без которого множество замечательных методик было бы неосуществимо. Однако засунуть в клетку «неродную» ДНК не так-то просто: это длинный, трудоемкий и многоэтапный процесс. Молекулярному клонированию посвящены толстые книги, но, тем не менее, я попробую хотя бы немного рассказать о том, что это такое, и что нужно для того, чтобы все получилось.

«Био/мол/текст»-2011

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2011 в номинации «Лучшая обзорная статья».

Вставка

Раз мы собираемся вставлять в клетки какой-то ген, то самый первый, очевидный шаг, который нам нужно сделать, — этот ген как-нибудь получить, причем желательно в больших количествах (поскольку все методики несовершенны, бóльшая часть копий этого гена бесследно пропадет по дороге нецелевым способом). Чужеродный ген, вносимый в клетку, называется «геном-вставкой» или просто «вставкой». Получить его можно несколькими способами.

Во-первых, мы можем просто выделить его из того генома, к которому он принадлежит. Допустим для простоты, что наша вставка — это какой-нибудь ген слона. Тогда нам нужно:

Подробнее с методом ПЦР и другими основными молекулярно-биологическими методиками можно ознакомиться в статье «Важнейшие методы молекулярной биологии и генной инженерии»; с геномными исследованиями — в статье «Геном человека: как это было и как это будет». — Ред.

Во-вторых, вполне возможно, что нужный нам ген уже был выделен из генома слона и присутствует в библиотеке генов. Тогда нашу вставку можно будет получить оттуда (с этим, на самом деле, тоже придется повозиться, но меньше, чем в первом случае).

И наконец, в-третьих, не обязательно использовать в качестве вставки уже существующий ген. Если исследователь собирается работать с каким-нибудь геном, который является плодом его фантазии и не встречается в природе, то он может синтезировать его искусственно.

Вектор

Запускание в клетку «одинокой» вставки (то есть, гена самого по себе, безо всякого сопровождения) — дело совершенно бесперспективное. В клетке плавает множество расщепляющих ДНК ферментов (нуклеаз), которые с радостью набросятся на беззащитную вставку и разрежут ее на кусочки, в результате чего она бесславно исчезнет, не успев совершить ничего полезного, а клонирование провалится.

Поэтому, чтобы защитить вставку, ее встраивают в специальное «транспортное средство», которое называется вектором. В самом элементарном случае вектор — это просто последовательность ДНК, в которую вшивается наша вставка, и которая помогает ей не пропасть в клетке и выполнить свое предназначение. Существует несколько видов векторов, но среди исследователей самой большой (и заслуженной) любовью пользуется один из них — плазмиды. С них-то мы и начнем.

Плазмида

Плазмида — это довольно короткая и обычно кольцевая молекула ДНК, которая плавает в цитоплазме бактериальной клетки (зеленые кружочки на рис. 1). Плазмиды не связаны с бактериальной хромосомой, они могут реплицироваться независимо от нее, могут «выплевываться» бактерией в окружающую среду или, наоборот, из этой окружающей среды «проглатываться». С помощью плазмид бактерии обмениваются друг с другом генетической информацией, — например, передают соседям устойчивость к какому-нибудь антибиотику.

Рисунок 1. В бактериальной клетке наряду с бактериальной хромосомой плавает еще и множество плазмид.

рисунок автора статьи

Плазмиды существуют внутри бактерий в естественных условиях, поэтому никто не может помешать исследователю искусственно синтезировать плазмиду, которая будет обладать нужными для него свойствами, вшить в нее вставку (или несколько) и запустить в клетку. Плазмида — это, можно сказать, «болванка» для молекулярного биолога. Поэтому плазмиды стараются сделать как можно более универсальными и подходящими для всех случаев жизни.

Для того, чтобы из плазмиды получился рабочий вектор, она должна обладать некоторыми важными характеристиками.

Размножение

Прежде всего, плазмида обязательно должна в клетке размножаться, реплицироваться, потому что иначе она быстро подвергнется деградации, а вместе с ней исчезнет и ген-вставка. Для этого в ней должна быть специальная последовательность под названием «точка начала репликации», с которой и начинается удвоение ДНК. У разных видов живых существ эти точки имеют разную нуклеотидную последовательность. Поэтому, если мы хотим создать плазмиду, которая бы реплицировалась сразу в двух видах клеток (например, и в дрожжевых, и в бактериальных), то нам надо вставить в нее две точки начала репликации.

Разрезание

Кроме того, в ДНК плазмиды должны быть участки, в которых ее можно будет разрезать, чтобы вшить туда вставку. В качестве «ножниц» используются особые ферменты — рестриктазы. Они прекрасны тем, что режут ДНК не где попало, а в строго определенных местах, которые называются сайтами рестрикции (каждая рестриктаза распознает только свой сайт и только в нем (или возле него) разрезает ДНК). Обычно в плазмиду ставят множество разных сайтов рестрикции, расположенных в разных точках, — благодаря этому ее можно будет разрезать в нужном месте нужной рестриктазой. Участок ДНК, на котором собрано несколько сайтов рестрикции, называется полилинкером.

Селекция

Процесс, при котором бактерия «глотает» плазмиду, именуется трансформацией. В естественных условиях трансформироваться может в каждый момент времени не вся популяция бактерий, а только ее часть — компетентные клетки. Существуют лабораторные методы, с помощью которых можно искусственно увеличить количество компетентных клеток (некоторые из них описаны ниже в главе «Как засунуть вектор в клетки»), однако, все равно, стопроцентная компетентность для бактериальной культуры — вещь недостижимая.

Так что, добавляя плазмиду к бактериям, мы заранее должны смириться с тем, что бóльшая часть бактериальных клеток так и останется бесплазмидной, нетрансформированной. Поэтому нам придется отделять зерна от плевел, — то есть, трансформированные клетки от всех остальных. Для этого используется простой, но остроумный прием.

Допустим, мы встроили в нашу плазмиду ген устойчивости к какому-нибудь антибиотику (такой ген называется селективным маркером). Теперь клетки, которые «съели» плазмиду, будут неуязвимы для этого антибиотика и смогут спокойно жить в его присутствии. В результате, чтобы выделить из всех бактерий, к которым мы добавили плазмиду, те, которые смогли эту плазмиду использовать по назначению, нам достаточно будет добавить к бактериальной культуре соответствующий антибиотик. Те клетки, которые нам нужны, смогут существовать и делиться в присутствии этого антибиотика, а остальные этого делать не смогут.

Существуют и другие способы провести селекцию. Можно, например, поместить сайт рестрикции не внутрь гена антибиотика, а внутрь какого-нибудь «заметного» гена (скажем, такого, в присутствии которого бактериальные культуры меняют цвет). В результате можно будет отличить нужные колонии от ненужных просто на глаз, безо всяких манипуляций. По такому принципу работает, например, очень модная сейчас система бело-голубой селекции.

Если мы собираемся работать только на бактериях, то всем вышесказанным дело и ограничится. Однако если конечная наша цель — засунуть вектор в эукариотические клетки (например, клетки млекопитающих), то нам предстоит еще один этап селекции.

Дело в том, что в большинстве эукариотических клеток плазмиды живут недолго и быстро подвергаются деградации. Поэтому, даже если мы заставили клетку «съесть» плазмиду, не стоит питать надежды, что наша вставка теперь останется в этой клетке навсегда. Скорее всего, она успеет только немного поэкспрессироваться, прежде чем содержащий ее вектор будет пойман нуклеазой и разрезан на кусочки. Однако если вектор случайно смог встроиться в геном (это событие очень редкое, но не невероятное), то наша вставка, можно сказать, пустит в этой клетке корни — причем не только в ней самой, но и во всех ее потомках. И для того, чтобы выделить из всех клеток те, которые имеют вектор в своем геноме, нам понадобится еще один селективный маркер — ген устойчивости к какому-нибудь эукариотическому антибиотику (потому что бактериальные антибиотики, как правило, на клетки эукариот не действуют). Добавив соответствующий антибиотик (например, генетицин) к среде, в которой культивируются клетки, мы через некоторое время получим популяцию только тех клеток, в геноме которых сидит наш вектор.

Промоторы

Перед каждым рабочим геном находится короткий участок ДНК под названием промотор. Именно сюда прикрепляется фермент РНК-полимераза, который синтезирует РНК на матрице ДНК, что является первым и абсолютно необходимым этапом в экспрессии гена. Если у гена нет промотора, его экспрессию запустить невозможно, и он так и останется «молчащим». Можно сказать, что ген без промотора — это все равно, что машина без педали газа. Поэтому в нашей плазмиде обязательно должен быть хотя бы один промоторный участок, под контроль которого можно будет поставить ген-вставку.

А промоторы бывают разные.

Во-первых, они различаются по своей силе. Некоторые вызывают бурную транскрипцию подконтрольного гена, другие — совсем вялую.

Во-вторых, у прокариот и эукариот промоторы отличаются. Прокариотические промоторы не работают в эукариотических клетках и наоборот. Поэтому будет Ужасной Ошибкой поставить тот ген, который должен, экспрессироваться в бактериальных клетках, под эукариотический промотор — это все равно, что оставить его без промотора вообще.

В-третьих, у эукариот есть несколько типов РНК-полимеразы — они обеспечивают синтез различных видов РНК. И каждый тип РНК-полимеразы распознает только свои промоторы и «не видит» чужие. Поэтому, в зависимости от того, какую именно РНК кодирует наша вставка (например, матричную или, наоборот, шпилечную, а может, и вовсе рибосомальную), нам нужно подбирать и тип промотора, который мы будем ставить в плазмиду.

И, наконец, в-четвертых, разные промоторы включаются по-разному. Некоторые активны постоянно. Другие активизируются только при определенных условиях — например, при повышении окружающей температуры или появлении в клетке каких-то веществ. К тому же, у многоклеточных организмов в каждой ткани включены одни промоторы и выключены другие. Можно, например, подобрать такой промотор, который будет активен только в нейронах. Или только в нейронах головного мозга. Или только в нейронах головного мозга, относящихся к одному из подкорковых ядер. Или только в крохотной субпопуляции нейронов головного мозга, относящейся к одному из подкорковых ядер. И сужать этот круг можно почти до бесконечности.

Знание всего этого дает исследователю удивительную свободу. Подобрав в плазмиду подходящий промотор, он сможет творить с экспрессией гена-вставки почти все, что ему заблагорассудится. Ну, скажем, сделать так, чтобы он экспрессировался сильно, только в мышечных клетках и только в ответ на повышение температуры.

Трансляция белка

Засовывая вектор в клетку, ученый может хотеть двух разных вещей:

В первом случае вектор называется транскрипционным, во втором — экспрессионным. Экспрессионные векторы обычно немного сложнее транскрипционных, потому что в них присутствуют:

Итак, мы подобрали все необходимые для плазмиды кусочки. Но мало просто соединить их вместе — огромную роль играет их взаимное расположение. Например, сайты рестрикции должны быть не только многочисленны и разнообразны, но и находиться в «правильных» местах. При этом надо стараться, чтобы итоговая плазмида была как можно компактней, поскольку, во-первых, так она будет стабильнее, а во-вторых, охотнее «проглотится» клеткой. Одним словом, вы уже, наверное, поняли, что дизайн хорошей плазмиды — это тонкое и филигранное искусство (рис. 2).

Рисунок 2. Структура знаменитой плазмиды PBR322. В свое время это была, пожалуй, самая популярная плазмида во всем научном мире, а потом она стала основой для множества плазмид нового поколения. В ней есть участок начала репликации (ori), благодаря которому она может размножаться в клетках бактерии E. coli, гены устойчивости к двум антибиотикам — ампициллину (amp) и тетрациклину (tet), а также множество сайтов рестрикции (на самом деле их больше сорока, но здесь представлены только четыре — EcoRI, SalI, PstI, BamHI). Промоторные участки, к сожалению, не показаны, но они, разумеется, тут тоже есть. Некоторые сайты рестрикции находятся в генах устойчивости к ампициллину или тетрациклину, в результате чего и тот и другой сайт можно использовать в качестве второго селективного маркера. Например, если мы разрежем ген устойчивости к ампициллину с помощью рестриктазы PstI и вошьем в это место вставку, то тетрациклин будет первым селективным маркером, ампициллин — вторым, а селекция будет выглядеть так:

Если же мы вошьем вставку внутрь гена устойчивости к тетрациклину (разрезав его с помощью рестриктаз BamHI или SalI), то нам надо будет, наоборот, сначала посадить их на среду с ампициллином, а потом — с тетрациклином.

Плазмидные базы данных

За те несколько десятилетий, что существует методика молекулярного клонирования, были синтезированы тысячи разнообразных плазмид, из которых созданы базы данных (например, AddGene). В этих базах есть плазмиды на все случаи жизни — с разными типами точек начала репликации, разными полилинкерами, разными селективными маркерами и промоторами и так далее. Есть те, в которые можно вшить не одну вставку, а несколько, а есть даже такие, которые уже несут в себе некоторые особенно популярные вставки. Поэтому, как правило, исследователи не синтезируют плазмиду для клонирования самостоятельно, а покупают уже готовую. При необходимости купленную плазмиду можно «довести до ума», вставив или убрав определенные участки (а потом эту модифицированную плазмиду тоже добавить в базу данных). Иными словами, часто задача ученого сводится просто к тому, чтобы подобрать подходящую плазмиду.

Другие векторы

Плазмида — прекрасный вектор для относительно небольших вставок. Если ген-вставка слишком велик, то плазмида утрачивает стабильность, потому что ее участки начинают «перетасовываться» друг с другом и теряться при репликации, из-за чего она постепенно укорачивается. Поэтому в качестве вектора для длинных вставок используются более устойчивые конструкции. Например:

Вставляем ген в плазмиду

Допустим, исследователь подобрал подходящую плазмиду и получил нужную вставку. Теперь нужно соединить одно с другим, чтобы затем засунуть в клетки. Для этого достаточно совершить несколько простых действий.

Как уже говорилось, в плазмиде существует несколько сайтов рестрикции — то есть, участков, в которых ее может разрезать нужная рестриктаза. Нам нужно выбрать подходящий сайт, который будет находиться в том месте, куда мы собираемся вшивать вставку, а затем обработать плазмиду соответствующей рестриктазой.

После этого той же рестриктазой нужно обработать вставку, поскольку рестриктазы обычно оставляют выступающие концы на одной из нитей ДНК, и эти концы должны быть совместимы у вставки и плазмиды, чтобы они согласились соединиться. Если на кончиках вставки нет нужных сайтов рестрикции, то можно приделать к нему короткие ДНК-фрагменты с нужными сайтами рестрикции на концах.

И наконец, нам нужно соединить в одной пробирке плазмиду и вставку (предварительно очищенные от рестриктаз) и добавить к ним ДНК-лигазу, которая умеет лигировать (то есть, сшивать воедино) две молекулы ДНК. Конечно, в результате мы получим не только желанный вектор, в котором плазмида соединена со вставкой (назовем его чеширским котом с улыбкой), но и целый коктейль побочных продуктов — пустую плазмиду (кота без улыбки), замкнутую вставку (улыбку без кота), несколько сшитых между собой вставок (много улыбок) и так далее. В ходе селекции эти ненужные продукты отсеются, и у нас в руках останется только вектор.

Выделяем вектор

Итак, вначале мы проводим селекцию.

И вот мы получили ее — бактериальную культуру, в которой живет созданный нами вектор. Вполне возможно, что это и было нашей конечной целью, и теперь мы, спокойные и счастливые, можем, например, включить в бактериях экспрессию гена-вставки и пожинать урожай синтезированных в результате белков.

Но если нам нужен чистый вектор, который можно будет потом засовывать в другие клетки, то у нас появляется проблема, которая кажется неразрешимой. Как вызволить вектор из бактерий? Ведь даже если мы выделим из этих бактерий ДНК, то помимо вектора получим еще и совершенно ненужную нам бактериальную хромосому.

Тут можно воспользоваться тем, что плазмидная ДНК имеет важные отличия от хромосомной: она, во-первых, гораздо меньше по размеру, а во-вторых, гораздо больше суперскручена. Поэтому можно подобрать такие условия, в которых бактериальные хромосомы будут осаждаться, в то время как плазмиды останутся плавать в растворе. Достаточно будет отцентрифугировать получившийся осадок (чтобы вся бактериальная ДНК прочно «упала на дно»), а затем уже из надосадочной жидкости выделить нашу плазмиду (обычно для этого используются специальные колонки, которые очень облегчают и ускоряют работу).

Как засунуть вектор в клетки

И вот наступил желанный миг. Исследователь держит в руке пробирку, в которой плещется прозрачная жидкость — столькими трудами полученный вектор. И тут перед ним встает преграда. Клетки, в которые он собирается засунуть свой вектор, отказываются его глотать.

Дело в том, что липидная мембрана, которой окружены клетки, обладает избирательной проницаемостью — то есть, она пропускает через себя одни частицы и не пропускает другие. Крупные заряженные молекулы (а именно таковой и является ДНК) через эту мембрану самопроизвольно пройти не могут. И если бактерии, например, умеют проглатывать плазмиды из внешней среды (как уже было сказано выше), то, скажем, клетки животных к этому совершенно не склонны. Поэтому для того, чтобы засунуть в клетку вектор, исследователю приходится прибегать ко множеству хитростей, о которых и будет сейчас рассказано. Но сначала — немного терминов.

Для внесения в клетку вектора есть несколько обозначений в зависимости от того, какой используется вектор и в какие клетки он вносится.

Эти термины, в общем, не очень строгие. Например, даже в некоторых солидных статьях трансдукцию иногда называют вирусной трансфекцией (а то и просто трансфекцией).

Вещества-проводники

Самый простой и очевидный путь внесения в клетку генетического материала — соединить вектор с каким-нибудь переносчиком, у которого нет проблем с проникновением через мембрану, и позволить получившемуся комплексу пролезть внутрь клетки. Это не отнимает много времени и не требует дорогостоящего оборудования. Такой способ обычно называют химической трансфекцией. В этом случае события развиваются по следующему сценарию:

К сожалению, почти на каждом из этих этапов возникают трудности. Во-первых, клетки захватывают далеко не все плавающие вокруг них комплексы. Во-вторых, не факт, что, оказавшись внутри клетки, вектор отделится от переносчика — вполне возможно, что они так и будут в обнимку плавать в цитоплазме, пока не подвергнутся деградации. В-третьих, даже если какой-то редкий комплекс умудрился проникнуть в клетку и там развалиться, это означает, что помимо вектора в клетке оказывается еще и переносчик, который может быть токсичен, вызывать побочные эффекты и вообще «замыливать» результаты экспериментов. И, наконец, в-четвертых, только небольшая часть вектора, оказавшегося внутри клетки, сможет проникнуть в ядро. Иными словами, комплексы вектора с переносчиком надо добавлять к клеткам в огромном избытке, чтобы хотя бы маленькая часть из них выполнила свое предназначение.

Утешает то, что среди производителей веществ-переносчиков огромная конкуренция, и поэтому на рынке постоянно появляются новые составы с улучшенными свойствами, которые минимизируют вышеописанные трудности. У каждого из составов есть какая-то своя «фишка», которая дает ему преимущество в конкурентной борьбе — некоторые образуют с вектором такие компактные комплексы, которым гораздо легче пробраться внутрь клетки; другие эффективнее отделяются от вектора, оказавшись в цитоплазме; третьи более универсальны и работают на огромном количестве типов клеток; четвертые, наоборот, славятся своей избирательностью и проникают только в те клетки, которые, например, экспрессируют какой-то специфический рецептор. Одним словом, если исследователь решил засунуть вектор внутрь клетки с помощью химической трансфекции, то ему просто надо выбрать из множества составов, представленных на рынке, тот, который будет лучше работать в данном конкретном случае.

Дырки в мембране

Но некоторые клетки так привередливы и капризны, что в принципе не соглашаются глотать комплексы ДНК с переносчиком (таким скверным характером славятся, например, первичные клетки — то есть, те, которые не выращивались в культуре, а были получены непосредственно от живого организма). Чтобы ввести в эти клетки генетический материал, ученому приходится прибегать к грубой силе — продырявливать мембрану и засовывать ДНК в образовавшиеся отверстия. Этот жестокий подход называется физической трансфекцией; он очень травматичен для клеток, и только некоторые из них переживут столь неделикатное обращение. Поэтому применять данную методику стоит, только если вы точно уверены, что обладаете достаточным количеством клеток и можете пожертвовать бóльшей частью из них. Ну и к тому же, вам потребуется довольно дорогое оборудование.

Наверное, самый распространенный способ продырявливания мембраны называется электропорацией. Дело в том, что у клеток, попавших в электрическое поле, в мембране возникают отверстия (которые получаются тем больше, чем сильнее приложенное к клеткам поле). Если эти отверстия малы, то клетка сможет «залечить» их; если же они слишком велики, то клетка погибнет из-за необратимого нарушения целостности мембраны. Поэтому эмпирическим путем можно подобрать оптимальную величину поля для того, чтобы клетки, с одной стороны, продырявились, а с другой — остались в живых. А когда клетки продырявлены, то добавленный к ним вектор проникает сквозь отверстия и оказывается в цитоплазме.

Кроме электропорации, есть еще несколько способов — экзотических и не очень — сделать в мембране дырки. Например, с помощью:

Ну и наконец, для самых непокорных клеток, которые не поддаются никакой из вышеописанных методик, существует прибор под названием «генная пушка». Генная пушка расстреливает упрямые клетки частичками металла (обычно используется золото) с присоединенным к ним вектором. (Источником вдохновения для изобретателей этого прибора послужил пневматический молоток.) Генная пушка подходит практически для всех типов клеток, включая растительные, окруженные твердой клеточной стенкой, которая является практически непреодолимой преградой для большинства других методик.

А вообще, почти все вышеописанные методики дают более-менее похожие результаты на большей части типов клеток, а приборы для них стоят дорого. Поэтому, как правило, лаборатория покупает прибор для какой-то одной методики, и дальше уже по этой методике и доставляет генетический материал в клетки.

Овечки в волчьей шкуре

Зачем придумывать новые и трудные пути засовывания в клетку нуклеиновых кислот, если можно воспользоваться теми элегантными способами, которые за время долгой эволюции изобрели существа (или, возможно, вещества; нельзя точно сказать, живые они или нет), для которых транспортировка своего генетического материала внутрь клетки является необходимой фазой жизненного цикла? Все, наверное, уже догадались, что речь идет о вирусах.

Вирусы — это молекулы ДНК или РНК, упакованные в белковую оболочку (а иногда завернутые в липидный слой со встроенными в него вирусными белками). Именно оболочка играет главную роль в проникновении вируса через клеточную мембрану. Поэтому если засунуть в эту оболочку невирусную нуклеиновую кислоту, то она, будто вирус, тоже сможет попасть в клетку — как овечка, одетая в волчью шкуру. На этом принципе и основано использование вирусных векторов. Пожалуй, вирус — это самое эффективное транспортное средство для доставки в клетку генетического материала. Но приготовление вирусных векторов очень хлопотно, долго и трудоемко. Да вы сейчас и сами увидите.

Итак, чтобы сделать вирусный вектор, нужно для начала подобрать подходящий вирус. Идеальный кандидат:

К сожалению, идеал недостижим, и ученым приходится выбирать из того, что есть. А именно:

Ретро

Ретровирусы долгое время были самой популярной основой для векторов. Это РНК-содержащие вирусы, которые, оказавшись в клетке, синтезируют ДНК на основе своей РНК с помощью ревертазы (собственно, поэтому они и называются «ретро», ведь синтез ДНК на основе РНК — это, в каком-то смысле, шаг назад). Ретровекторы хорошо выполняют свое предназначение, то есть, стабильно доставляют в клетку заключенный в них генетический материал, но у них есть несколько недостатков, из-за которых работать с ними неудобно.

Во-первых, они все (за одним исключением, о котором скоро будет рассказано) способны инфицировать только делящиеся клетки. Поэтому если исследователь, например, собрался изучать нейроны, которые не склонны к делению, ему надо забыть о ретровекторах и начать искать что-нибудь другое.

Во-вторых, ретровирусы встраиваются в самые непредсказуемые участки генома, каждый раз разные, и это приводит к самым непредсказуемым последствиям. Для начала, из-за этого нарушается воспроизводимость экспериментов — но это еще ладно. Беда в том, что ретровектор может вклиниться в середину какого-нибудь важного гена, из-за чего этот ген выключится, а в клетке начнутся патологические изменения, которые могут довести ее до гибели. Или, наоборот, ретровектор может случайно включить какой-нибудь совершенно ненужный ген, например, онкоген, что также приведет к очень печальным результатам (особенно если исследования проводятся не на культуре клеток, а на живом организме, и особенно если этот организм — человеческий).

Эти недостатки отвратили сердца ученых от ретровекторов и заставили их искать что-нибудь более подходящее. И найти кое-что замечательное удалось прямо внутри ретровирусного семейства.

Ленти

Лентивирусы — это род ретровирусов, который отличается от прочих представителей своего семейства некоторыми приятными с точки зрения молекулярного клонирования чертами.

Прежде всего, лентивирусы умеют заражать не только делящиеся, но и неделящиеся клетки. Эта особенность ужасна с точки зрения врача, который лечит вызванное лентивирусом заболевание, и прекрасна с точки зрения молекулярного биолога, который делает на основе лентивируса лентивектор. Ведь работая с таким вектором, ученый сможет использовать гораздо более широкий ассортимент клеточных типов, а значит, сделать гораздо больше великих открытий.

Плюс к тому, лентивекторы довольно емкие, то есть, они способны вместить в себя крупные вставки. Отчасти это связано с тем, что из их генома в целях безопасности выкидывается бóльшая часть, и в результате освобождается куча места. Ну и кроме того, лентивирусы встраиваются в чуть менее непредсказуемые участки генома, чем прочие ретровирусы, а это тоже очень здорово.

«Ленти» по латыни значит «медленный». Это слово очень точно отражает характер лентивирусов — они вызывают заболевания с необычайно длинным инкубационным периодом. Вирус СПИДа — это тоже, кстати, лентивирус.

Адено

Аденовирусы, наряду с ретровирусами, долго были самой популярной основой для векторов, но теперь потихоньку сдают свои позиции. Аденовирусы способны заражать не только делящиеся, но и неделящиеся клетки; ассортимент клеточных типов, которые они заражают, довольно широк. Но они не встраиваются в хозяйский геном, и поэтому подходят не для всех экспериментов. Кроме того, аденовирусы часто вызывают сильный иммунный ответ. Поэтому все чаще они используются не в базовых исследованиях, а для всяких прикладных целей — например, для создания вакцин.

И наконец, относительно недавно на сцене появился новый персонаж, который сразу расположил к себе ученых множеством чудесных качеств. Зовут его аденоассоциированный вирус (AAV).

AAV ведет себя настолько тихо, скромно и ненавязчиво, насколько этого вообще можно ждать от вируса. Практически единственное, что он делает, оказавшись в клетке, — это встраивается в хозяйский геном, причем почти всегда не в первое попавшееся, а в строго определенное место. Он, судя по имеющимся сейчас данным, не вызывает никаких заболеваний, поэтому и иммунный ответ на него очень слабый. К тому же, он способен заражать и делящиеся, и неделящиеся клетки. Одним словом, AAV — просто идеальная основа для вектора, хотя и он не лишен некоторых недостатков. И главный его недостаток — малая емкость. В AAV-вектор могут влезть только совсем небольшие вставки, и в этом он очень проигрывает, например, лентивекторам.

Кроме того, AAV — дефективный, несамостоятельный вирус. Он может размножаться только в клетках, которые уже заражены аденовирусом (что и отражено в его названии). Это совсем неплохая черта, если мы хотим заразить нашим вектором культуру клеток; но если мы собираемся делать вектор для генной терапии (методики лечения генетических (и не только) заболеваний, при которой организм заражается вирусным вектором, несущим необходимые этому организму гены), то такая дефективность будет нам очень мешать, потому что вирусы не смогут как следует распространяться по организму. Однако сейчас эта проблема решена, и разработаны AAV-векторы, которые способны размножаться сами по себе, безо всякой помощи.

Но вот подходящий вирус подобран. Теперь начинаются игры с его геномом.

Теперь у нас возникает небольшая проблема. Даже засунув эту плазмиду в клетку, никаких вирусов мы не получим, потому что мы уже выкинули (в пункте 1) те гены, которые нужны для их создания. Поэтому нам придется пойти на маленькую хитрость.

Мы засунем в клетки не одну плазмиду, а две. Первая, основная (назовем ее Пу), — это та, которую мы получили в пункте 3. А вторая, вспомогательная (назовем ее Ме), будет нести гены, которые мы выкинули в пункте 1. Обе плазмиды начнут размножаться в хозяйской клетке. Плазмида Ме будет экспрессировать свои белки — например, белки оболочки и белки, необходимые для самосборки вирусов. Поскольку на Пу есть участки для налипания белков оболочки, то эти белки на нее и налипнут, и в результате мы получим вирус с необходимыми генами внутри, чего мы и добивались.

Итак, наш план действий таков:

Это, конечно, только общая схема, у каждого конкретного вектора есть свои нюансы. Например, бывает, что вместо одной вспомогательной плазмиды используют две или даже три. При создании некоторых AAV-векторов упаковывающие клетки нужно заразить аденовирусом. А если мы создаем вектор для генной терапии, который должен уметь размножаться в хозяйской клетке и заражать ее соседей, то нам придется гораздо аккуратнее обращаться с вирусным геномом и расчищать в нем место с большой осторожностью, чтобы не нарушить способность вирусов к самостоятельному размножению. И так далее.

Последний шаг

Итак — ура! — тем или иным способом мы все-таки умудрились засунуть вектор в клетки. Нам остается последний шаг — нужно выбрать из всех клеток те, которые встроили векторную ДНК в свой геном.

Собственно, для этого мы и добавили в вектор последний селективный маркер — ген устойчивости к антибиотику, работающему на эукариотических клетках. Мы просто будем постоянно добавлять этот антибиотик в среду, в которой находятся наши клетки, — в результате останутся в живых и смогут делиться только те, которые имеют в геноме этот ген и всю нашу векторную ДНК впридачу.

Все! Клонирование завершено. Мы получили линию генетически модифицированных клеток, в геноме которых присутствует наша вставка. Пришло время проводить с этими клетками необходимые эксперименты.

Источник