Олег Макаров
Большая часть мира живого разделена пополам. По полам. На пол женский и пол мужской. Сделав производство потомства делом двух особей вместо одной, природа совершила шаг вперед, так как смешение генетического материала дает шанс на появление более жизнеспособных организмов
Но есть и обратный путь. Порой в силу разных причин женская особь, давая жизнь потомству, обходится, так сказать, без папы... Это явление получило в научном обиходе название "партеногенез" - от двух греческих слов "партенос" (дева) и "генезис" (порождение"). Вообще говоря, мы с детских лет знаем, что новые живые организмы вполне могут возникать без всяких там тычинок и пестиков. Кустик клубники, например, раскидывая по грядке свои длинные усы, вырастит себе потомство в виде точно таких же кустиков. Воткнутая в землю ветка (модное слово "клон" - по-гречески черенок") превратится в новое дерево. Исторически предшествовавшее половому бесполое размножение строится на процессе митоза – простом делении живой клетки. В результате образуются две абсолютно идентичные клетки с одинаковым набором генов – точные копии родительской, сохранившие, образно выражаясь, все достоинства и пороки. Изменения от поколения к поколению могут происходить лишь в результате генетических мутаций. Правда, микробы прекрасно приспосабливаются к меняющимся условиям среды, но они берут числом и скоростью размножения. И даже у них существует что-то вроде полового процесса – обмена генами между клетками одного, а иногда и совершенно разных видов. А у подавляющего большинства растений и самых примитивных представителей животного царства (вроде дождевых червей и морских звезд), способных к вегетативному размножению, оно дополняет, но не заменяет половой процесс.
При половом размножении чертеж нового организма, заложенный в его ДНК, создается случайным сочетанием генетического материала двух родителей. Игральные кости брошены на стол. Какая комбинация выйдет в итоге – повышающая или понижающая шансы на выигрыш в борьбе за существование, – дело случая, но без постоянной перетасовки генов и отбора их оптимальных комбинаций сложные многоклеточные организмы не смогли бы эволюционировать. Если продолжить ассоциацию с азартными играми, геном эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов, от дрожжей до человека, составлен из двух "колод" – парных генов (аллелей), расположенных на парных хромосомах. Соматические (телесные) клетки при росте организма и замещении отмерших клеток размножаются тем же простым делением – митозом, при котором набор хромосом передается неизменным от родительской клетки дочерним. Мутации в соматических клетках могут привести к различным (обычно неприятным) последствиям, но в следующее поколение они не передаются.
Половые клетки образуются в результате намного более сложного процесса деления – мейоза, при котором из первичных половых клеток – оогониев (женских) и сперматогониев (мужских) – образуются соответственно яйцеклетки и сперматозоиды. При этом диплоидная (несущая в себе полный набор генетической информации в двух парах хромосом) первичная половая клетка превращается в гаплоидную, с одной из каждой пары хромосом и, соответственно, одним из каждой пары родительских генов. При этом хромосомы обмениваются участками, и каждой яйцеклетке или сперматозоиду достается случайный набор генов, полученных от бабушки и дедушки будущего младенца.
Две половые клетки сольются в одну – зиготу, которая некоторое время спустя начнет делиться митотическим способом, развиваясь в зародыш. Но и неоплодотворенная яйцеклетка может начать делиться – именно это и называется партеногенезом. Следует сразу уточнить: партеногенез является не бесполым размножением, а разновидностью полового (с присущими ему биологическими процессами), однако с участием лишь женских половых клеток.
Партеногенез в живой природе нельзя назвать чем-то исключительным. Коловратки – крошечные (от 40 мкм до 2 мм) обитатели пресноводных водоемов, выделенные в отдельный тип царства животных, – уже 40 млн лет представлены только женскими особями, производящими потомство исключительно путем партеногенеза.
При всей прогрессивности полового размножения вариант с происхождением потомства от одной особи имеет свои плюсы. Например когда среда благоприятствует быстрому размножению вида и вокруг достаточно пищи для многочисленного потомства, партеногенез дает выигрыш в скорости заселения этой среды. В этом случае можно по жертвовать генетическим разнообразием (потомство несет в себе лишь хромосомы матери), зато мобилизовать потенциал вида на выполнение только материнских функций. Как только условия изменятся в неблагоприятную сторону, можно снова вернуться к оплодотворению, создавая менее многочисленные, но более приспособленные организмы. Но коловратки – это скорее исключение из правил. У многих видов растений, членистоногих, земноводных, рептилий и даже птиц существует не облигатная (обязательная) форма партеногенеза, а факультативная – при подходящих обстоятельствах. Например, у некоторых видов тлей переход к партеногенезу и обратно имеет характер сезонных колебаний.
Удивительно, однако, что порой к партеногенезу прибегают виды живых организмов, которые ранее не были в этом замечены. В последние годы описаны несколько поразительных случаев партеногенеза у акул, для которых этот способ размножения обычно не свойственен. В 2001 году в зоопарке Henry Doorly в штате Небраска (США) малоголовая рыба-молот (разновидность акулы) произвела на свет детеныша после длительного пребывания в резервуаре с водой, где не было самцов. Это "непорочное зачатие" поначалу поставило ученых в тупик. В числе прочих рассматривался вариант с длительным сохранением спермы от давнего полового контакта – такое явление "ложного партеногенеза" порой наблюдается в природе. Расставить точки над "i" помог несчастный случай: выросший детеныш погиб от укола ската. Результат ДНК-анализа однозначно показал, что в клетках детеныша не было никакого генетического материала, кроме материнского. Некая программа, спрятанная в ДНК акулы, которая в естественных условиях размножается исключительно через оплодотворение, включила резервный механизм сохранения вида – партеногенез. Таким образом, причиной партеногенетического размножения может стать и отсутствие самцов – например, на границе ареала вида.
Похожий случай произошел в 2002 году в океанариуме Детройта (США), а затем в Венгрии. В 2006 году в лондонском зоопарке партеногенетический детеныш вылупился из яйца самки комодского варана. На воле комодские вараны также не прибегают к партеногенезу.
В рассуждениях о партеногенезе неизбежно всплывает тема одного из главных догматов христианства – непорочного зачатия Девы Марии. Не хранят ли евангельские предания свидетельство о партеногенетическом рождении человека? Противники этой версии указывают на то, что, будь это так, младенец Иисус должен был бы родиться девочкой – разумеется, из-за отсутствия в яйцеклетке Y-хромосом. Трудно рассуждать на эту тему всерьез, ведь если встать на религиозную точку зрения, то надо вспомнить об участии в непорочном зачатии Святого Духа, которому при его всемогуществе подвластно невозможное. Однако если вынести за скобки вмешательство сверхъестественных сил, то не только человек, но и любое другое млекопитающее к "непорочному зачатию" неспособны. На пути партеногенеза человека природой воздвигнут мощный заслон, имя которому – геномный импринтинг.
Смысл этого мудреного термина заключается в том, что для развивающегося зародыша млекопитающего, образно говоря, не безразлично, от кого достался тот или иной ген – от мамы или от папы. Ген, отвечающий за развитие какого-нибудь жизненного важного органа, просто не будет работать, проявлять себя, если он имеет неправильный половой маркер. Именно поэтому, даже если заставить яйцеклетку млекопитающего делиться, скажем, с помощью неких внешних раздражителей, нет никаких шансов на то, что в результате на свет появится жизнеспособный организм. Геномный импринтинг заблокирует развитие зародыша на ранних стадиях. Если, конечно, в дело не вмешается генная инженерия.
Добиться первого партеногенетического рождения млекопитающих удалось в 2004 году ученым из Токийского сельскохозяйственного университета. Японцы применили разработанную ими технологию гаплоидизации, то есть искусственного (без мейоза) превращения соматических клеток самки мыши в гаплоидные (подобные то ли мужским, то ли женским). Затем в лабораторных условиях удалось добиться слияния этих клеток, "обманув" при помощи особых технологий геномный импринтинг. И наконец, уже в материнском организме, из клетки начал развиваться зародыш.
О том, насколько тяжело далось генетикам вмешательство в святая святых живой природы, говорят цифры. Проведя порядка шести сотен экспериментов со слиянием искусственно гаплоидизированных клеток, японцы смогли получить всего 24 беременности, только две из которых закончились родами. Развиться же в полноценный организм удалось лишь одному детенышу. Впрочем, для начала результат не так уж плох: у незабвенной Долли на стадии оплодотворения было почти триста сестер.
Клонирование приматов из-за особенностей развития их оплодотворенных яйцеклеток во время самых первых делений технически все еще невозможно. И ни один серьезный ученый не ставил перед собой задачу репродуктивного клонирования человека. Многочисленные попытки научиться выращивать человеческие эмбрионы методом переноса клеточного ядра – того же самого, с помощью которого родилась Долли –нужны для терапевтического клонирования. При этом, как и при получении культур эмбриональных стволовых клеток из "отходов" экстракорпорального оплодотворения (оплодотворенных про запас яйцеклеток), эмбрион из яйцеклетки с пересаженным ядром донора предполагается разрушать на ранней стадии. Такие клетки не будут отторгаться при клеточной терапии и пересадке донору изготовленных из них тканей и даже целых органов.
Но и работы с обычными клетками человеческих эмбрионов, и любое, даже терапевтическое, клонирование человеческих клеток вызывают сопротивление со стороны религиозных фундаменталистов и прочих блюстителей морали. Это одна из причин, по которым некоторые специалисты пытались идти обходными путями – например, получить химерные эмбрионы из ядра соматической клетки человека и яйцеклетки коровы или кролика.
Все эти окольные тропы привели в тупики, кроме одной: в июле 2007 года группе ученых из московского Центра акушерства, гинекологии и перинатологии РАМН и американской корпорации Lifeline Cell Technology удалось вырастить шесть линий полипотентных (способных, как эмбриональные, превращаться в любые ткани организма) стволовых клеток из неоплодотворенных человеческих яйцеклеток. Достижение впечатляющее, хотя таким методом можно получать культуры терапевтических клеток только для женщин детородного возраста. И похоже, это направление развиваться не будет.
Уже в ноябре того же 2007 года две группы ученых из Висконсинского и Киотского университетов одновременно объявили о разработке методов получения искусственно индуцированных плюрипотентных клеток (iPSC) из фибробластов, обычных клеток кожи. Для того чтобы взрослые клетки "впали в детство", в них пришлось с помощью вирусного носителя ввести работающие копии четырех генов, активных во время эмбрионального развития и заблокированных во взрослом организме. Новую методику уже опробовали в новых лабораториях, а в феврале 2009 года человеческие iPSC впервые были использованы для восстановления поврежденного спинного мозга – пока у мышей, но можно надеяться, что через несколько лет дело дойдет до первых клинических исследований на людях.
Возможно, именно эти эксперименты поставят жирную точку на биоэтических спорах, оставив тему партеногенеза авторам фантастических романов, предвещающих появление мира без мужчин. К счастью, пока не похоже, чтобы женщины к такому миру сильно стремились.
Благодарим за помощь в написании статьи Александра Чубенко – редактора портала "Вечная молодость" www.vechnayamolodost.ru
Для экспериментов с видами размножения живых существ у природы была почти вечность. Сегодняшние мастера генной инженерии стараются уложиться в более сжатые сроки, предлагая свои сенсационные решения
Исследователи из Университета Ньюкасла (Великобритания) объявили, что ими найден способ искоренить ряд серьезных заболеваний, передающихся по наследству посредством митохондрий. Митохондрия – один из важнейших органоидов живой клетки, который отвечает за энергетическое обеспечение внутриклеточных процессов. Как считается, митохондрия происходит от древней бактерии, некогда внедрившейся в эукариотическую (ядерную) клетку. От прародителя органоид унаследовал собственную ДНК. Если в ней возникают сбои, митохондрия функционирует неправильно, что отражается на жизнедеятельности всей клетки.
Чтобы справиться с этой проблемой, шотландские ученые предлагают пересаживать ядро оплодотворенной яйцеклетки с митохондриальными дефектами в здоровую яйцеклетку, полученную от донора. Предварительно из донорской клетки удаляется вся генетическая информация, кроме той, что отвечает за производство митохондрий. Таким образом возникнет зародыш, в котором будет присутствовать генетический материал двух женщин и одного мужчины. Опыты, проведенные на мышах, показывают, что остатки донорской ДНК никак не влияют на развитие детеныша и лишь помогают избавить его от связанных с митохондриями заболеваний. С помощью этого метода удалось получить и человеческие эмбрионы, которые нормально развивались, но были уничтожены на шестой день после оплодотворения. Идти дальше в этом направлении пока мешают соображения юридического и биоэтического характера.
Половинка к половинке
И у акул, и у варана партеногенетические детеныши имели женский пол
Хитрости индейки
Это естественно для живых организмов, у которых мужской пол передается через Y-хромосому, находящуюся только в мужских половых клетках. У некоторых видов живых существ наследование пола осуществляется иначе: например, у одной из пород индеек многие яйца развиваются партеногенетически, и из них появляются только самцы. У пчел и муравьев партеногенез используется для регулирования соотношения полов: из оплодотворенных яиц развиваются самки, а из неоплодотворенных – самцы. А некоторые виды костистых рыб "соблазняют" самцов другого вида. Сперматозоид при этом не проникает в яйцеклетку, а только стимулирует удвоение ее хромосом и деление. Однако можно ли сказать, что эти детеныши были клонами, точной генетической копией материнских организмов? Нет, в данном случае это не так.
Дело в том, что биологически партеногенез осуществляется в основном двумя путями. Один из них заключается в том, что первичная женская половая клетка, не проходя стадию мейоза, начинает делиться митотическим путем, создавая собственную копию. В случае же с высокоразвитыми животными полученная в ходе мейоза яйцеклетка, имеющая, как мы помним, гаплоидный – половинный – набор хромосом, сливается с другой яйцеклеткой, тоже с половинным, но по-другому скомбинированным набором "бабушкиных и "дедушкиных" хромосом. Происходит своего рода имитация зачатия, но генотип и определяемые им свойства организма при этом будут в той или иной степени отличаться от материнской.
СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
Термин "стволовые клетки" был введен в научный оборот русским гистологом Александром Максимовым (1874–1928).
Им обозначается особый тип клеток живого организма, которые способны дифференцироваться, превращаясь в специализированные клетки различных тканей. Оплодотворенная клетка (зигота) относится к тотипотентным (то есть "всемогущим") стволовым клеткам, ведь от нее происходит все, что есть в организме. Тотипотентность сохраняют и клетки, полученные после нескольких первых делений (дроблений) зиготы. Позже возникают плюрипотентные стволовые клетки, каждая из которых может произвести специализированные клетки множества типов, однако, в отличие от тотипотентных, неспособна дать начало целому организму. Более низкий уровень иерархии – мультипотентные стволовые клетки с еще меньшими возможностями дифференциации. Специализированная клетка называется унипотентной. Стволовые клетки, в отличие от специализированных, могут делиться бесконечно, в то время как зрелые унипотентные клетки имеют ограниченное количество циклов деления. Использование стволовых клеток открывает широкие перспективы в медицине.
Популярная механика № 3 (77)март 2009