14/05/2015
Суррогатная мама для мамонтенка
В 2015 году в издательстве Принстонского университета вышла книга Бет Шапиро «Как клонировать мамонта?». Сама автор иронизирует по поводу названия книги и говорит, что честнее было бы написать: «С какой стороны взяться за клонирование мамонта (при условии, что это стало технически возможно, и если бы клонировать мамонта было действительно хорошей идеей, что, на самом деле, скорее всего, не так)». Но более честный заголовок хуже по маркетологическим соображениям.
В основном, в книге обсуждаются сложности и проблемы, которые придется решить, задавшись целью восстановить вымерший вид. Но ее появление свидетельствует о возрастающем интересе к проблеме.
В первом приближении современная наука о жизни считает, что вся информация, необходимая для развития и жизнедеятельности организма, содержится в его ДНК. Значит, в теории, для восстановления вымершего вида нужна только его ДНК. Даже если забыть, что этого, на самом деле, недостаточно, это уже накладывает довольно серьезные ограничения. Потому что ДНК нужна очень хорошего качества. В живой клетке постоянно происходят два процесса: появление ошибок в ДНК и исправление этих ошибок. Ошибки, в основном, могут появляться из-за неточной работы ферментов, копирующих ДНК перед делением клетки, или из-за воздействий окружающей среды. Специальные ферменты должны быть бдительными и эти ошибки исправлять, а, если их не удается исправить все, заставлять клетку совершать самоубийство, чтобы она не стала злокачественной. Но все это происходит, только пока хозяин ДНК жив. После того, как он умирает, все процессы по исправлению ошибок прекращаются, копирование ДНК прекращается, и остаются только внешние воздействия.
Прочитать ДНК в общих чертах (например, определить гаплогруппу митохондриальной ДНК или Y-хромосомы) удается и для довольно давно погибших организмов, останки которых хранились в самых обычных условиях. Например, на определении гаплогруппы митохондриальной ДНК из костей основано недавнее исследование заселения Америки. Тогда удалось определить митохондриальные гаплогруппы людей, живших несколько тысяч лет назад. В другом исследовании удалось установить, какой вариант гена, связанного с адаптацией к жизни высоко в горах, был у жителей Америки, умерших 8,5 тысяч лет назад. Но прочитать геном таких древних останков на 100% или даже на 90% невозможно. А для восстановления вымершего вида меньше не годится. То есть круг претендентов сужается до тех, чьи кости остались лежать в вечной мерзлоте, и тех, кто вымер, когда у ученых уже были холодильники (или другие способы консервации, не повреждающие ДНК).
Но, допустим, ДНК нужного качества нашлась. И тут начинается второй круг сложностей. Кроме ДНК, нужен еще и близкородственный ныне здравствующий вид. До сих пор основным методом казалось клонирование, как в случае с овечкой Долли. В яйцеклетку пересаживается ядро соматической клетки, яйцеклетка делится, эмбрион развивается. Если взять яйцеклетку близкородственного вида и заменить в ней генетический материал на принадлежащий вымершему виду, то, в теории, получится, живой представитель вымершего вида. Построение новых клеток управляется программой, записанной в геноме, а значит, от «материнского» организма почти ничего не останется. В случае с млекопитающими (например, мамонтами) понадобятся еще и услуги суррогатной матери.
Другой метод, предлагаемый в последней работе на эту тему, более реалистический. Он предлагает сравнить вымерший вид с близкородственным, и определить, в каких генах основные отличия. Потом с помощью системы редактирования генома заменить эти гены на вымершие копии. Мамонта в прямом смысле слова так не получить, но шерстистого слона, способного жить в Сибири – вполне.
Успехи молекулярной и клеточной биологии позволяют не считать воссоздание вымерших видов совсем уж маниловщиной, но трудности очевидны, а практическая польза сомнительна. Полностью успешной попытки, однако, пока не было предпринято ни одной.
Наиболее, хотя и не вполне, успешной пока остается попытка воскрешения пиренейского горного козла (Capra pyrenaica pyrenaica). Пиренейский горный козел - это один из четырех подвидов испанского горного козла (Capra pyrenaica). Еще один подвид – португальский горный козел (Capra pyrenaica lusitanica) – вымер уже в конце XIX века, а пиренейский дожил до 2000 года. Тогда погибла последняя самка по имени Селия (Celia), а в 1999 году ученые взяли у нее и законсервировали клетки кожи. Донорами яйцеклетки и суррогатными матерями выступили обычные домашние козы, горные козы и их гибриды. Из яйцеклеток были удалены собственные ядра, и безъядерные яйцеклетки были слиты с клетками кожи Селии. В пробирке было получено 285 эмбрионов, 54 были имплантированы 12 самкам, два эмбриона оставались живы к концу второго месяца беременности (обычно у коз беременность длится пять месяцев), один козленок родился живым, но спустя несколько минут умер.
Причиной смерти оказались дефекты легких. До момента рождения кислород поступает к ребенку, как и все остальное, через пуповину. После рождения он должен начать дышать сам, для этого легкие должны расправиться и в альвеолы должен попасть воздух. Ситуация, когда легкие после рождения не расправляются, называется ателектазом. Довольно часто это случается с родившимися преждевременно человеческими детьми, но в последние годы врачи научились неплохо справляться (смертность порядка 1 %). Но у новорожденного козленка легкие так и не заработали. Кроме того, у одного легкого была лишняя доля. Дефекты легких вообще довольно часто встречаются у клонированных животных, были они и у овечки Долли.
Здесь надо обратить внимание на то, что у ученых все равно были клетки только одной, и к тому же довольно немолодой (год спустя она умерла от старости) самки. Даже если бы козленок родился благополучно, у него, вероятно, были бы проблемы со здоровьем, поскольку в соматических клетках длина теломер и стабильность ДНК с возрастом снижается. Клетки половой линии решают эту проблему, активируя фермент теломеразу, но в лабораторную процедуру клонировния стадия активирования теломеразы пока не входит. Кроме того, даже если бы козлят родилось несколько, все они были бы генетически идентичными самками, и восстановить популяцию пиренейского горного козла без дополнительных ухищрений не получилось бы. Звучали не вполне реалистичные предложения попробовать заменить в клетке одну X-хромосому на Y-хромосому родственного вида. Но, скорее всего, реалистичнее было бы просто провести серию скрещиваний. Тогда, конечно, получился бы не вполне пиренейский горный козел. Но неудача постигла ученых на более ранней стадии.
Другой, пока еще не окончившийся проект посвящен воскрешению (он так и называется, Lazarus project) лягушачьего рода Rheobatrachus, обитавшего в Австралии. Представители этого вида примечательны тем, что самки глотают оплодотворенную икру и вынашивают ее у себя в желудке, а маленькие лягушата потом просто выпрыгивают изо рта. Все это время мать ничего не ест, чтобы не выделялся желудочный сок, выделение которого дополнительно блокируется веществами, которые секретируют эмбрионы. Лягушки вымерли в 1980-х. По-видимому, причиной их вымирания, как и других видов амфибий, стала эпизоотия грибкового заболевания. В 2013 году ученым удалось перенести ядро из замороженной ранее соматической клетки лягушки в яйцеклетку близкородственного вида и убедить ее начать делиться. Но развитие эмбриона каждый раз прекращалось на довольно ранней стадии. Ученые не унывают и говорят, что такое часто случается и при клонировании лягушек из незамороженной ткани, что проблема не в повреждении ДНК при хранении, и что они улучшат методику, и реобатрахус у них еще попрыгает.
Мамонты появились на Земле около двух миллионов лет назад и в большинстве своем вымерли около 9 тысяч лет назад. Правда, в 1993 году на острове Врангеля нашли останки мелкого подвида дожившего до строительства египетских пирамид и окончательно вымершего только 3,5 тысячи лет назад. Самые близкие ныне живущие родственники мамонтов – индийские слоны, их общий предок жил примерно 5 миллионов лет назад.
До сих пор не вполне понятно, из-за чего мамонты вымерли. До последнего времени популярностью пользовалась антропогенная гипотеза, но она игнорирует тот факт, что одновременно с мамонтами исчезло 34 других рода животных, не представлявших для людей охотничьего интереса, и люди культуры Кловис (одни из ранних американских поселенцев). Кроме того, на этот период пришлось заметное похолодание. Против антропогенной гипотезы говорит еще и то, что во многих местах численность мамонтов начала сокращаться еще до появления первых людей.
Более современная гипотеза сводится к тому, что мамонты старого света вымерли из-за изменений климата и сокращения площади пастбищ, а мамонты нового света – из-за столкновения земли с кометой или метеоритом. Сменившееся потеплением похолодание привело к тому, что более северные части мамонтовых тундростепей превратились в болота, а более южные – в леса. В Северной Америке были обнаружены следы пожаров и вхождения в земную атмосферу шлейфа мелких обломков кометы – например, мамонтовые кости с характерными пробоинами.
Хотя 9 тысяч лет назад некому было законсервировать ткани последних мамонтов, природа справилась сама. Мамонты жили на севере, и вечная мерзлота смогла сохранить их ДНК до наших дней. В 2008 году был опубликован первый полный геном шерстистого мамонта, но качество было не очень высоким, и нельзя было определить, где просто ошибка секвенирования, а где мутация, действительно обуславливающая отличие мамонта от слона. И вот сейчас удалось решить проблему качества секвенирования и с высокой точностью прочитать геномы двух мамонтов: одного, жившего 60 тысяч лет назад, и другого, жившего 20 тысяч лет назад.
Теоретически это открывает путь к клонированию мамонта и все будет как в мультфильме «Мама для мамонтенка», но это дорого, сложно и не очень понятно, зачем нужно. Гораздо интереснее понять, разнице в работе каких именно генов приводит к тем отличиям между слоном и мамонтом, которые есть. Кроме разницы в размере (в пользу мамонтов) и наличия шерсти у мамонтов должны были быть адаптации к более холодному климату.
Всего различия нашлись в 1600 генах, кодирующих белки. Во-первых, среди них оказались белки волос и кожи, а также белки, управляющие их ростом. Во-вторых, различия нашлись в белках, связанных с ощущением холода и передачей этих ощущений в мозг. В-третьих, отличались белки, связанные с регуляцией циркадных ритмов: времени сна, бодрствования, охоты и т.п. Это объясняется тем, что мамонты были адаптированы для жизни вблизи полярного круга, где летом почти нет ночи, а зимой дня – и настраивать свои ритмы только по Солнцу не удастся. Похожие на мамонтовы варианты генов, связанных с циркадными ритмами, присутствуют, например, у северного оленя. И, наконец, в-четвертых, различия затрагивали гены, ответственные за отложения жира, деление жировых клеток и вообще метаболизм.
Один из генов, ответственный за чувствительность к низкой температуре, авторам работы удалось встроить мышам. Мыши с геном мамонта стали проводить больше времени в холодной части клетки, из которой обычные мыши быстро убегали.
Воспользовавшись системой CRISPR/Cas9, можно в эмбрионе слона заменить на мамонтовые варианты хоть все 1600 генов. Это будет все равно дешевле и вернее, чем пытаться найти живую клетку среди останков мамонтов. Но ученые считают, что для получения слона, способного жить в условиях Сибири или крайнего севера 1600 генов не надо, а хвати четырнадцати.
Пока авторы работы намерены модифицировать отдельные клетки слонов и приступить вплотную к изучению вопроса in vitro на культурах клеток.
Александра Брутер
