В.А. Струнников
На протяжении многих тысячелетий разведения животных воображение человека, видимо, не раз поражали редко возникающие, исключительные, выдающиеся по хозяйственной ценности, животные - быстроходные лошади, коровы с высокими удоями, овцы с большим настригом шерсти и хорошие куры-несушки. Вероятно, человеку не однажды приходила в голову смелая мысль сделать таких удивительных животных "бессмертными" путем воспроизводства их в следующих поколениях в виде совершенно идентичных копий. В действительности же рекордисты заканчивали свой жизненный путь, оставив после себя потомство, каждый член которого никогда не был полностью идентичен ни одному из своих родителей, точно так же, как и его самого не повторял ни один из потомков следующих поколений.
Воспроизводство организмов, полностью повторяющих уникальную по продуктивности особь, возможно только в том случае, если генетическая информация матери будет без каких-либо изменений передана дочерям. Но при естественном половом размножении этому препятствует мейоз. В ходе его незрелая яйцеклетка, имеющая двойной, или диплоидный, набор хромосом - носителей наследственной информации - делится дважды, и в результате возникают четыре гаплоидные (т.е. с одинарным набором хромосом) клетки. Три из них дегенерируют, а четвертая - с большим запасом питательных веществ - становится собственно яйцеклеткой. У многих животных она в силу гаплоидности не может развиваться в новый организм. Для этого необходимо оплодотворение - слияние ее с гаплоидным сперматозоидом. Вполне понятно, что организм, развившийся из оплодотворенной клетки, приобретает признаки, которые определяются взаимодействием материнской и отцовской наследственности. Следовательно, при половом размножении мать не может быть повторена в потомстве.
Как же, вопреки этой строгой закономерности, заставить клетку развиваться только с материнским диплоидным набором хромосом? Теоретически решение этой трудной биологической проблемы осуществимо двумя способами: хирургическим и "терапевтическим", если использовать медицинскую терминологию.
Клонирование шелкопряда: от первых шагов до практического использования
Хронологически второй метод изобретен намного раньше и, нужно отдать должное, - русскими учеными. Сто лет назад зоолог Московского университета А.А.Тихомиров впервые открыл, что яички тутового шелкопряда в результате различных химических и физических воздействий начинают развиваться без оплодотворения. Однако это развитие, названное партеногенезом, рано останавливалось: партеногенетические эмбрионы погибали еще до вылупления личинок из яиц. Но это уже была прелюдия к клонированию животных.
Б.Л.Астауров в 30-е годы в результате длительных исследований, получивших мировую известность и ставших классическими, подобрал термическое воздействие, которое одновременно активировало неоплодотворенное яйцо к развитию и блокировало стадию мейоза, т.е. превращение диплоидного ядра яйцеклетки в гаплоидное. Развитие с ядром, оставшимся диплоидным, заканчивалось вылуплением личинок, точно повторяющих генотип матери, включая и пол. Так, в результате амейотического партеногенеза были получены первые генетические копии, идентичные матери.
Количество вылупившихся партеногенетических гусениц находилось в прямой зависимости от жизнеспособности матери. Поэтому у "чистых" пород вылупление гусениц не превышало нескольких процентов, в то время как у значительно более жизнеспособных межрасовых гибридов оно достигало 40 - 50%. Несмотря на огромный успех, автор этого метода пережил горькое разочарование: партеногенетическое потомство характеризовалось пониженной жизнеспособностью на эмбриональных и постэмбриональных стадиях развития (гусеницы, куколки, бабочки). Гусеницы развивались неравномерно, среди них было много уродливых, а завитые ими коконы сильно различались по массе. Позже Борис Львович улучшил метод, применив гибридизацию между селекционными линиями. Так он смог повысить жизнеспособность у новых клонов до нормы, но довести до этого уровня другие количественные признаки ему не удалось: например масса партеногенетических коконов не превышала 82% от массы нормальных коконов такого же генотипа.
Позднее мы установили причины партеногенетического угнетения (депрессии) и сложными методами, которые позволяют накапливать "гены партеногенеза", вывели новые высоко жизнеспособные клоны самок, а позже и партеногенетических самцов. (Заметим, что депрессия у тутового шелкопряда несравнимо меньше, чем у млекопитающих животных. У них яйцеклетка с диплоидным ядром, образованным в результате слияния двух женских гаплоидных ядер или двух мужских, вообще не развивается в организм.) Скрещивая таких самцов со своими клонированными "матерями" или склонными к партеногенезу самками других клонов, мы получили потомство с еще большей склонностью к партеногенезу. От лучших в этом отношении самок закладывали новые клоны.
В результате многолетнего отбора нам удалось накопить в генотипе селектируемых клонов невиданно большое число генов, обусловливающих высокие склонность к партеногенезу и жизнеспособность. Вылупление гусениц достигло 90%, а их жизнеспособность, как ни удивительно, повысилась до 95 - 100%, опередив в этом отношении обычные породы и даже гибриды. В дальнейшем мы "скрестили" с помощью партеногенетических самцов два генетически резко отличающихся клона разных рас и от лучших гибридных самок вывели сверхжизнеспособные клоны.
Как ни велико научное значение этих результатов, для практики полученные клоны все же не пригодны. Дело в том, что самки шелкопряда съедают на 20% больше листа шелковицы, а их коконы содержат шелка на 20% меньше. Экономически выгодно было бы промышленное разведение только самцов. А нельзя ли клонировать особей мужского пола? Это важно не только в шелководстве, но и в ряде других отраслей животноводства. Проблема трудная, однако все же в перспективе выполнимая.
Как известно, животный мир разделен на две группы: у одной группы женский пол определяется наличием в генотипе двух одинаковых половых хромосом (ХХ), а мужской - разных (ХY). У другой группы, наоборот, самки имеют хромосомную формулу ХY, а самцы - ХХ. К первой группе относятся человек, сельскохозяйственные животные и ряд других менее высокоорганизованных животных, например знаменитая мушка дрозофила. Ко второй группе принадлежат некоторые виды бабочек, в том числе и тутовый шелкопряд. Совершенно очевидно, что из неоплодотворенных яиц сельскохозяйственных животных никак нельзя "выкроить" самца, поскольку в женском ядре нет Y-хромосомы. Следовательно, клонирование самца может быть произведено только путем пересадки его диплоидного ядра, взятого из пригодной для этой цели ткани тела, в безъядерную яйцеклетку. Вероятно, со временем это будет сделано.
Но мы научились клонировать самцов тутового шелкопряда. Это стало возможно после того, как нам удалось получить уникальных самцов, у которых все парные гены были идентичными, или гомозиготными. Вначале таких самцов клонировали особым мужским партеногенезом (андрогенезом). Для этого воздействием гамма-лучей и высокой температуры лишали ядро яйца способности к оплодотворению. Ядро проникшего в такое яйцо сперматозоида, не встретив дееспособного женского ядра, само, удвоившись, приступало к развитию мужского зародыша, который, естественно, повторял генотип отца. Таким способом мы ведем мужские клоны в десятках поколений. Позже один из таких клонов был преобразован в обоеполую линию, также состоящую из генетически идентичных (за исключенем, конечно, половых хромосом) теперь уже самок и самцов. Поскольку положивший начало этой линии полностью гомозиготный самец возник в результате размножения, приравненного к самооплодотворению, то сам он и линия двойников обоего пола имеют пониженную жизнеспособность. Скрещивая между собой две такие линии, мы стали без труда получать гибридных и, следовательно, высоко жизнеспособных двойников в неограниченных количествах. Это совершенно несопоставимо с трудоемкими методами такого же назначения у других животных - число их двойников пока исчисляется единицами. Полученные нами двойники незаменимы для самых тонких исследований, результаты которых не вуалируются генетическим разнообразием подопытных шелкопрядов, как это происходит с обычным гетерогенным материалом. Эти исследования теперь выполняются с достаточной достоверностью на гораздо меньшем числе шелкопрядов, чем обычно.
Подведем итоги клонирования шелкопряда: полученные клоны самок и самцов для практического шелководства не пригодны. Но это не крах радужных надежд. Такой исход можно было предвидеть. Мы заранее предположили, что целесообразно использовать клоны не непосредственно в шелководческой практике, а на племя - для получения выдающегося по продуктивности потомства при обычном половом размножении. Примерная схема использования клонов в промышленном шелководстве выглядит следующим образом. Из большого количества коконов выбирают те, из которых развиваются выдающиеся по продуктивности самки, и от каждой получают партеногенетическое потомство. Для дальнейшей работы используют партеногенетические клоны, которые повторяют высокую продуктивность матерей и проявляют высокую склонность к партеногенезу. За этим следует скрещивание с определенными клонированными самцами и из полученного гибридного поколения выбирают для производства только те клоны, которые дали прекрасное во всех отношениях потомство. Его высокие качества обусловлены не только предшествующей селекцией, а еще и тем, что в процессе отбора особей на высокую склонность к партеногенезу в их генотипе образуется комплекс генов жизнеспособности, компенсирующий вредное влияние искусственного размножения. При переводе клонов на половое размножение этот комплекс, оказавшись несбалансированным, сильно повышает гетерозис.