Можем ли да се клонира до безкрайност: 20-годишен експеримент показа границата

В продължение на 20 години японски учени са създавали клонинги от клонинги на една-единствена мишка – и са установили, че този процес има твърд лимит. При 58-ото поколение мишките умират още на първия ден след раждането. Изследването, публикувано в Nature Communications, е първото, което показва експериментално, че бозайниците не могат да запазят вида си само чрез клониране. Това е още една от причините, поради които учените все още не са клонирали хора.

Как учените прекараха 20 години в клониране на мишки

Експериментът започва през 2005 г. в университета Яманаши (Япония) под ръководството на генетичката Саяка Вакаяма. Учените взели една женска мишка и я клонирали чрез трансфер на соматични клетъчни ядра – същият метод, по който през 1996 г. се ражда известната овца Доли. Същността е проста: от яйцеклетката те премахват собственото ѝ ядро с ДНК и вкарват ядро от обикновена клетка от тялото на донора. Полученият ембрион е генетично идентичен с този на донора.

Но японският екип не се спира на един клонинг (а също и на 600 клонинга на една и съща мишка). Те са взели една клонирана мишка, изчакали са я да порасне до тримесечна възраст и са я клонирали отново. След това клонирали клонинг на клонинга. И така на всеки три или четири месеца в продължение на две десетилетия. През това време са направени повече от 30 000 опита за клониране и са получени повече от 1200 мишки от един оригинален донор.

По същество учените са проверявали един прост въпрос: може ли едно копие да се копира безкрайно? Или генетичният „ксерокс“ има предел на своята точност?

Защо първите поколения клонинги са били здрави

Първите резултати са били окуражаващи. В продължение на 25 поколения клонираните мишки не са се различавали от оригиналните: те са били здрави, живели са толкова дълго, колкото и нормалните мишки (около две години), и дори са можели да се възпроизвеждат. Нещо повече, процентът на успеваемост на клонирането нараства – от първоначалните 7% до 15,5% при 26-тото поколение.

Екипът използва специален реактив – трихостатин А, който потиска активността на мутациите по време на процеса на клониране. Той помогнал да се запази ефективността на процедурата дори при по-късните поколения. Първоначално учените смятали, че серийното клониране може да продължи безкрайно. Но това впечатление се оказало измамно. Под привидно нормалната обвивка вече се натрупвали проблеми – просто те все още не били видими с просто око.

Кои мутации се появяват при клонирането

За да разберат какво се случва на ниво ДНК, учените секвенират геномите („прочитат“ ДНК нишките и търсят мутации) на десет клонинга от различни поколения. Резултатите са красноречиви: клонингите носят три пъти повече мутации от мишките, родени чрез нормално полово размножаване.

При всеки нов кръг на клониране геномът получава около 70 малки точкови мутации (замяна на отделни „букви“ от ДНК) и около 1,5 големи структурни промени. Поотделно те не са критични, но проблемът е, че клонирането прехвърля всички мутации в следващото поколение в тяхната цялост. Клонингът не разполага с механизъм за „отсяване“ на дефектните гени – за разлика от сексуалното размножаване, при което геномът се разбърква при всяко зачеване.

Представете си, че копирате документ на ксерокс. Първото копие е почти перфектно. Но ако копирате копие на копие, а след това копие на копие на копие – всеки път качеството пада, а дефектите само се умножават. Именно по този начин самите автори на изследването описват този процес. От 27-ото поколение нататък при мишките започнали да се появяват сериозни хромозомни аномалии – в частност била загубена една от двете Х-хромозоми. Плацентите на клонингите станали необичайно уголемени.

Тресчотката на Мюлер: защо клонингите дегенерират

Резултатите от японския експеримент са първото експериментално потвърждение при бозайници на една отдавнашна еволюционна хипотеза – т.нар.тресчотката на Мюлер (Muller’s ratchet). Тази идея е предложена от американския генетик Херман Мюлер още през 1964 г.

Идеята е проста: в безполовата популация вредните мутации могат само да се натрупват, но не и да изчезват. Тресчотката е механизъм, който се върти само в една посока. Така е и с мутациите: без полово размножаване и пренареждане на гените е невъзможно да се „върнат назад“ щетите. Рано или късно мутационното натоварване става несъвместимо с живота – настъпва това, което биолозите наричат „мутационно разтопяване“ (mutational meltdown).

Точно това се е случило с мишките. До 57-ото поколение оцеляват само 0,6% от клонингите – но тези, които оцеляват, са здрави и живеят нормално. 58-ото поколение е последното: всички мишки умират в рамките на 24 часа след раждането си. В същото време те не са имали видими физически аномалии.

„Смятахме, че можем да създадем безкраен брой клонинги. Ето защо тези резултати са толкова разочароващи“,

признава ръководителят на проекта Терухико Вакаяма.

Защо половото размножаване почиства ДНК и е от съществено значение за бозайниците

Една от най-интересните части на изследването е опитът за спасяване на генетична линия чрез конвенционално полово размножаване. Учените кръстосват клонирани женски от 20-ото, 50-ото и 55-ото поколение с нормални мъжки.

Клонингите от 20-то поколение дават нормални приплоди. При 50-ото и 55-ото поколение приплодите били много по-малки – мутационният товар вече пречел на нормалното развитие на ембрионите. Въпреки това още при внуците на тези клонинги – т.е. когато потомството им се кръстосва отново с нормални мишки – размерът на приплодите се връща към нормалния. Половото размножаване буквално „поправя“ увредения геном в рамките на едно или две поколения.

Това е ключово откритие: половото размножаване включва рекомбинация – разместване на гените от двамата родители. Това позволява вредните мутации да бъдат „изчистени“ от естествения подбор. При клонирането този механизъм липсва и затова генетичните грешки постоянно се натрупват.

Защо клонирането не може да замени естественото възпроизводство

Резултатите от това проучване имат пряко отражение върху няколко области, в които клонирането се разглеждаше като обещаващ инструмент. Някои природозащитници се надяваха, че серийното клониране може да помогне за спасяването на застрашени видове от изчезване или за възкресяването на изчезнали животни. Отделни компании вече предлагат клониране за домашни любимци. Но този японски експеримент показа, че клонирането не може да замени половото размножаване за дългосрочното запазване на видовете.

Основни моменти от изследването:

• Единичното клониране все още работи – първото поколение клонинги са здрави и жизнеспособни.
• Серийното клониране (клонинг от клонинга) неизбежно води до натрупване на мутации и дегенерация на линиите.
• Половото размножаване може да компенсира генетичните увреждания, причинени от клонирането, за едно или две поколения.
• Идеята за „генетично хранилище“, от което даден вид да може да се възпроизвежда безкрайно само чрез клониране, все още не е осъществима.

Терухико Вакаяма, чиято лаборатория първа клонира мишка през 1997 г., подчертава, че за да се преодолее откритият лимит, е необходим принципно нов метод, който да подобри технологията на трансфера на ядрото. Засега учените заявяват: природата има основателна причина бозайниците да не се възпроизвеждат чрез клониране. И тази причина е самата еволюция.

Границата от 25 поколения е рекордна, но тя също така напомня, че биологичната информация е крехка и всяко копие изисква прецизна „поддръжка“. Пътят към безсмъртието чрез клониране остава затворен за хората, но за науката това е огромен скок в разбирането на живота.

Изследването не затваря темата за клонирането, но за първи път ясно очертава нейните граници. За спасяване на видовете, създаване на лабораторни модели и дори клониране на домашни любимци технологията остава полезна – но само ако клонирането е последвано от нормално размножаване. Както се оказва, бозайниците все пак не могат без секс – и не става въпрос за романтика, а за генетика.