Представив, пусть и в самых общих чертах, как устроен механизм хранения наследственности, предлагаю на этом качественно более высоком уровне вернуться к вопросу о ее проявлении, реализации в виде целого организма.
К настоящему времени нам точно известно, что живое существо может состоять из одной или более клеток. Так же ясно, что в случае многоклеточного организма входящие в его состав структурные единицы проявляют специализацию даже в том случае, когда мы имеем дело с наипростейшими по устройству существами. Поначалу специализация разделяет клетки всего на два типа: генеративные (ответственные за рост организма посредством увеличения общего числа клеток) и соматические (отвечающие за исполнение других функций), причем отголоски этого слышны до сих пор и обнаруживаются у высших организмов. В последующем специализация углублялась, приводя к формированию четко выделяемых типов тканей (покровных, мышечных, хрящевой и костной, соединительной, жировой и т.д.) и компактному объединению отдельных тканей в органы, а, параллельно, и функциональному связыванию органов в системы (сердечно-сосудистую, пищеварительную и выделительную, опорно-двигательную, нервную, иммунную и т.д.)
Специализация клеток, входящих в различные органы и системы, во многих случаях доходит до такой степени, что структурные единицы одного организма становятся почти ни в чем не похожи друг на друга. Одни имеют отростки до полутора и более метров (например, нейроны), другие – близкую к идеальной округлую форму. Одни являются многоядерными, у других ядро одно, но перетяжками разделяется на несколько сегментов, а третьи и вовсе лишаются наследственного материала, достигнув стадии зрелости. Одни четко фиксированы на месте, другие носятся по всему организму с током крови и лимфы, третьи обладают способностью к самостоятельному передвижению и даже «протискиванию» вглубь тканей.
И при этом подавляющее большинство их (за исключением уже упоминавшихся зрелых эритроцитов и половых клеток – о них отдельный разговор) обладает полным набором генов для развития для развития в целый организм. Да так ли это?
Предшествующие наблюдения над природой давали много материала, подтверждающего обоснованность данного предположения. Опустим за полной ясностью обычное деление одноклеточных. Но и многоклеточные способны малой толикой своего организма дать начало новому – прежде всего, имеются в виду растения. Обломок свежей ветки, частица корня, единственный лист, подчас, - при попадании в благоприятные условия развивается в полноценный организм, обладающий всеми системами: корень формирует стебель, стебель пускает корни. Для низших животных вегетативный способ также не запрещен. Те же приснопамятные губки – любимый пример школьных учителей – могут размножаться путем фрагментации до единичных клеток (то есть можно полностью разрушить организм путем протирки сквозь сито до образования кашицы – и из всех мельчайших крупинок вырастут нормальные губки). Они же могут размножаться почкованием – образованием выроста тканей, отрывающегося и ведущего в дальнейшем самостоятельную жизнь.
По сути, все приведенные примеры не являются способом размножения, они иллюстрируют способности к восстановлению организма – регенерации. Она есть и у высших животных, включая человека. Безусловно, не так хорошо выражена (с уровня фарша не смогут восстановиться даже рыбы), но морские звезды, например, довольно быстро отращивают оторванные лучи, ящерицы – хвосты, саламандры и крабы – конечности. У человека неплохо регенерируют ткани печени и кости.
(Кстати, лично слышал рассказ хирурга-преподавателя, которому пришлось оперировать пациента с какой-то катастрофой в брюшной полости – уж не помню, с какой именно. Так вот, после выполнения доступа и ревизии внутренних органов (так полагается: попал в живот, осмотри все доступное!), он обнаружил на брыжейке кишечника россыпь багрово-красных опухолевидных образований размером от нескольких миллиметров до копеечной монеты. Естественно, сразу возникло предположение о злокачественных метастазах, при наличии которых, как должно быть ясно, сделать уже мало, что возможно. Однако взяли биопсию (отщипнули аккуратненько маленький кусочек одного такого «метастаза»), отослали на срочное гистологическое исследование, чтобы определить точно природу тканей – происхождение и степень злокачественности. Полчаса ждали у операционного стола приговора, получили заключение: «нормальная ткань селезенки без признаков малигнизации». То есть, никакого рака нет, а все эти «метастазы» - ничто иное, как маленькие селезенки. Пациенту еще в юности удалили селезенку после ее разрыва в результате падения с высоты – это было известно. Так вот, в процессе той еще, многолетней давности операции, селезеночные клетки (а орган этот рыхлый такой, кровью напитанный, да еще капсула с тканями порвалась) попали, видимо, в брюшную полость вместе с капельками крови, да и приросли пусть и в неположенных местах, да зато выполняя положенную функцию. Чем не пример регенерации «из состояния фарша»?)
Ладно, тут все понятно. Но возможна ли «регенерация» высших животных из единственной телесной клетки в полноценный организм? Достаточен ли ее генетический набор, не теряет ли некую таинственную животворную силу на этапах тканевой специализации?
Сейчас-то ответ кажется ясным, но не так давно это казалось весьма серьезной проблемой. И разрешили ее Ян Вилмут (Ian Wilmut) и Кейт Кэмпбелл (Keith Campbell) из Рослинского института (Шотландия) в 1996-м году. Конечно, мы говорим об овечке Долли и технологии клонирования.
Итак, что такое клонирование? Это способ искусственного получения жизнеспособных высших животных и растений на основе генетического материала соматических (неполовых) клеток. Долли была «произведена» с использованием ядерного материала, извлеченного из клеток вымени одной овцы (умершей к моменту эксперимента – ткани хранились в жидком азоте в замороженном состоянии) и помещенных в денуклеированную (лишенную ядра) яйцеклетку другой овцы. После выполненного экстракорпорального «оплодотворения» и стимуляции первичного деления, зародыш был подсажен в матку «матери», выношен и рожден естественным путем.
Долли выросла вполне здоровой овечкой, прожила 6,5 лет, родив 6 ягнят и будучи полным генетическим близнецом того самого животного, от которого оставались лишь замороженные ткани. Успех?
С точки зрения науки, безусловно – окончательно и не оставляя никаких теней сомнения, подтверждена роль ядерного наследственного материала (ядерной ДНК) в формировании живых организмов. Более того, поставлена и точка над «i» в вопросе полноценности ДНК соматических клеток – каждая из них содержит материал, не уступающий качеством тому набору оплодотворенной яйцеклетки, из которого первоначально развивался организм. Настолько не уступает, что генетических близнецов можно производить сотнями и тысячами.
Но вправду ли не уступает? Проблема оказалась в том, что овечка Долли оказалась слабенькой. Нет, развивалась она нормально, и ягнят приносила, но уже с пятилетнего возраста (а овцы обычно живут лет по 10-12, если раньше не отправляются «под нож») – у человека это соответствовало бы 35-40 годам – она страдала от болезней суставов, причем, настолько серьезных, что начала получать противовоспалительные средства. А еще через два года у нее начались проблемы с легкими, к которым присоединилась вирусная инфекция, приведшая к смерти.
Отвлечемся.
Технология клонирования показалась настолько фантастическим достижением, настолько бескрайние горизонты она открывала, что мимо нее никак не мог пройти Голливуд.
Фильм «Шестой день» (с А.Шварценеггером) 2000 года повествует о недалеком будущем, в котором запросто (в течение нескольких дней) клонируют любимых домашних животных. Сюжетная коллизия состоит в подмене главного героя, способного разоблачить преступные эксперименты с клонированием людей, его клоном-двойником. Оба они считают себя «подлинными», оба пытаются отстоять право на место в семье, но потом объединяются в борьбе против главного злодея.
В продолжении цикла Джорджа Лукаса «Звездные войны», названном «Эпизод 2. Атака клонов» и вышедшем на экраны в 2002 году, на далекой планете из клеток единственного человека, профессионального воина-убийцы, вырастили целую армию клонов. Лукас не повторил ошибок создателей «Шестого дня», он не придумывал невероятных аппаратов, способных доводить зародышевую клетку до уровня взрослого организма (да еще с памятью о не пережитом) в считанные недели, если не дни – у него клоны проходили младенчество, обучение и тренировки. Только были похожими друг на друга, и исполнительными, словно роботы.
В фантастическом боевике «Остров» (2005 год) фабула уже совсем правдоподобна. В некоем закрытом пространстве (поначалу зрителя уверяют, что речь идет о бункере-убежище) проживают несколько тысяч молодых людей, убежденных, что они единственные выжившие в глобальной катастрофе, происшедшей на планете. Однако одна влюбленная пара начинает испытывать сомнения, перерастающие в зловещие подозрения. Они совершают побег, в результате чего выясняют, что мир на поверхности Земли не уничтожен, и находится в полном порядке. Они же, все эти молодые люди, являются клонами богатых и высокопоставленных граждан, «живыми консервами» органов, которые могут понадобиться для пересадки.
Наверняка есть и другие фильмы, где обыгрывается возможность клонирования человека, но я решил остановиться на самых известных.
Что объединяет все эти три работы, так это скептическое, стоит даже сказать – тревожное отношение к клонированию. У создателя «Звездных войн» это выражено в наименьшей степени (пусть даже проблема была вынесена в название фильма: «Атака клонов»), но особой глубиной его фантастика никогда не отличалась. А вот «Остров»… Этот фильм вполне адекватен. Недаром с 1996 года многие страны запретили или ограничили репродуктивное клонирование человека (приводящее к рождению генетического близнеца), то вводя, то вновь отменяя запреты на клонирование терапевтическое (обрывающее рост зародыша на стадии бластоцисты – примерно 100 клеток, используемых в медицине в качестве стволовых). Понятно, что наиболее непримиримыми противниками клонирования выступают страны с преимущественным распространением католицизма (Испания, Франция, Сальвадор, Мексика, Венесуэла). Хотя, справедливости ради нужно сказать об уголовном преследовании за человеческое клонирование в Японии, Германии, Великобритании и Эстонии. В России с 2002 года также действует временный запрет на репродуктивное клонирование человека.
Вернемся к судьбе овечки Долли. Анализируя ее состояние, исследователи почти сразу разделились на два лагеря.
Первые оставались уверены, что тяжелые болезни, преследовавшие ее на протяжении короткой жизни, связаны скорее с условиями содержания: экспериментаторы обрекли ее на малоподвижный образ жизни, ограничивая выгулы, мол, поэтому и развились артриты с легочными расстройствами. А противовоспалительные препараты, применяемые длительными курсами, как давно известно, негативно отражаются на иммунной системе – отсюда и скоротечная вирусная инфекция с летальным исходом.
Вторые резонно указывали на другие эксперименты с клонированием животных (а они, естественно, не заставили себя долго ждать): большинство зародышей погибали внутриутробно, среди родившихся смертность во младенчестве многократно превышала привычный уровень, особи росли ослабленными, продолжительность их жизни оказывалась в полтора-два раза ниже животных стандартов.
Объяснений напрашивалось два. Во-первых, генетический материал использовался, что называется, «бывший в употреблении» - с накопленными в течение жизни исходного животного повреждениями ДНК и мутациями. Подсадка его даже в молодую яйцеклетку эквивалентна установке в новый автомобильный кузов двигателя и трансмиссии, «отбегавших» половину, а то и две трети расчетного срока эксплуатации. На безупречную работу этих узлов и агрегатов, понятно, рассчитывать особо не стоит.
Во-вторых, генетики задолго до успешного осуществления клонирования занялись исследованием специфических образований на концах хромосом, названных теломерами. Выяснилось, что они выступают некими биологическими часами, отсчитывающими «дозволенные» акты митоза – клеточного деления, и (в случаях специализированных соматических клеток) укорачивающиеся с каждым таким актом. Понять это можно, проведя аналогию с песочными часами: до тех пор, пока в верхней половине колбы остается запас песка – он продолжает сыпаться, иллюстрируя течение времени; до тех пор, пока длина концевых участков хромосом достаточна – возможна репликация (удвоение) молекулы ДНК, необходимая для формирования генетического материала для новой клетки. Но вновь образованная хромосома оказывается короче «прародительницы» на 3-6 нуклеотидов, а следующая – еще короче, и так происходит до тех пор, пока длина теломер не достигает критически малой длины и клетка не потеряет способность к делению. Практически, речь идет о том, что теломеры отвечают за явление биологического старения, за конечность жизни многоклеточных организмов (в биологии это явление получило название «предел Хейфлика» по имени американского ученого, впервые открывшего его для дифференцированных человеческих клеток; «предел Хейфлика» составляет 50-52 клеточных делений). Использование генетического материала соматических клеток для клонирования – есть попытка создания «свежей» копии организма, изначально зараженной смертью, внутренне прошедшей значительную часть пути к ней.
Есть только два типа клеток, лишенных генетических ограничений по продолжительности жизни: половые клетки (о них мы поговорим позже) и стволовые – чрезвычайно низкого уровня дифференцировки, способные делиться неограниченное число раз, обеспечивая при этом как самовоспроизведение (одна получившаяся клетка сохраняет стволовые свойства), так и генерируя поколения будущих специализированных клеток (крови, мозга, печени, костной и соединительной ткани и т.д.) Только эти стволовые клетки имеют активно действующую восстановительную систему теломераз, постоянно надстраивающую укороченные концевые участки хромосом, «омолаживая» их до первоначального состояния.
К сожалению, запуск аналогичных систем в уже дифференцированных клетках свидетельствует не о начале «вечной молодости», а о злокачественном их перерождении – превращении в раковые клетки. Тем они и страшны – безудержным ростом, обкрадывании организма в питательных веществах и кислороде, потерей «чувства границ» - прорастанием за пределы исходных органов вплоть до разъедания стенок сосудов, полых органов (например, желудка и кишечника, пищевода и бронхов) или их сдавливания с развитием непроходимости. И еще, конечно, способностью отрываться от материнской опухоли и распространяться по всему организму – контактным способом, с током крови, лимфы или воздуха (с дыханием и кашлем – в случае расположения в дыхательной системе).
Итак, мы бегло рассмотрели проблемы хранения наследственности в клеточных ядрах соматических (телесных) клеток, и эксперименты, доказывающие возможность развития любой такой клетки в целостный организм.
Безусловно, технологии клонирования, даже столь несовершенные, каковые они есть в данный момент, - серьезный шаг в развитии генетики в частности и биологической науки вообще. Однако даже терапевтическое клонирование (не говоря о репродуктивном – создании генетических копиях людей) чревато наличием этических проблем. Много более простые операции – пересадки костного мозга (в основе – все те же стволовые клетки, только донорские) и трансплантации органов – выполняются штучно. Пусть тысячами и даже десятками тысяч, но всем ли нуждающимся? Оглянитесь вокруг себя и получите ответ.
Много говорится о применении клонирования в восстановлении исчезнувших видов животных (японцы, по слухам, всерьез примериваются к мамонтам, благо шанс получить генетический материал из замороженных трупов этих вымерших гигантов по-прежнему высок, а ближайшие родственники – слоны – все еще бродят по Африке и в Индии). Задача интересная, что и говорить, но – если вдуматься – зачем?
Мы еще помним фильм «Парк Юрского периода», в котором возрождение поголовья динозавров решалось с помощью и клонирования и генной инженерией, - и ради чего? Ради шоу? Ну-ну, мне бы, как говорится, ваши заботы. Других-то забот, наверное, нет. Подбрасываю идею: воскресить египетских фараонов по сохранившимся мумиям, Владимира Ульянова с Мао Цзэдуном, и – кто там еще на длительном хранении? – Ким Ир Сена им для компании…