Идея клонирования какого-нибудь вымершего животного будоражит околонаучные умы и широкие массы уже не первый десяток лет — примерно с тех пор, как по кинотеатрам прошелся фильм «Парк Юрского периода». Сегодня разговоры о клонировании доисторических ящеров уже не ведутся ни всерьез, ни даже в шутку — уж слишком много лет пролежали их кости в грунте, так что и от самих костей остались лишь отпечатки в камне.
Другое дело – шерстистый мамонт. История этих животных началась почти одновременно с историей человека, однако конец её был куда более скор – то ли оттого, что люди довольно быстро перебили всех косматых на мясо, шкуры и кости, то ли просто от жары.
В отличие от динозавров, ныне обнаруживаемых все чаще в жарких каменистых пустынях, мамонты попадаются вмерзшими в вечную мерзлоту, до сих пор сохранившуюся в приполярной Сибири и в Северной Америке. Пролежав тысячу лет во льдах, туши мамонтов содержат в себе сохранившиеся мягкие ткани и кости, а иногда и волосы.
И вот здесь начинается чудо клонирования мамонтов, о котором ученые впервые заговорили всерьез.
Пусть и с огромным скепсисом, но все же всерьез.
Геном мамонта
Произошло это благодаря работе Уэбба Миллера и Стефана Шустера из американского Пенсильванского университета, уже известного читателю по работам, посвященным анализу полностью расшифрованных митохондриальных ДНК шерстистых мамонтов. Тогда учёные попытались разобраться, как развивалась нетривиальная история этих животных, и почему американские мамонты перед своей окончательной кончиной все же выжили своих сибирских собратьев из самой Сибири.
В своей новой публикации в Nature Шустер и Миллер вместе с американскими и российскими коллегами – генетиками, биохимиками и зоологами – объявили, что
команде учёных удалось секвенировать примерно 70% ядерной ДНК шерстистого мамонта, и только время и неполная сохранность генетического материала отделяют от завершения полного цикла работ по расшифровке.
Помогли генетикам современные методы секвенирования, развивающегося семимильными шагами. Новые методы позволяют сбор полных геномов из крохотных, по нескольку десятков нуклеотидных пар, отрезков ДНК и очень подходят для работы с вымершими животными, генетические молекулы которых за тысячи лет оказались повреждёнными и раздробленными на мелкие фрагменты. Выросла и скорость проведения анализа, снизилась стоимость реактивов и оборудования. Однако не только технический прогресс обусловил успех современных генетиков.
Уникальными обнаружения мамонтов делают вовсе не сохранившиеся мягкие ткани и кости, а шерсть.
Именно из нее ученые могут с большой долей уверенности извлечь генетический материал, не принадлежащий плесени и бактериям.
Прочитав 4,2 миллиарда пар нуклеотидов из многочисленных фрагментов, команда Миллера и Шустера обладает на сегодня последовательностью из 3,3 миллиардов пар оригинального генома (остальной «мусор» – участки ДНК вирусов, бактерий и прочих организмов). По оценкам генетиков, всего геном мамонта содержит 4,7 миллиарда комплементарных пар, что в полтора раза превышает длину человеческого генома.
Также Миллер сумел выявить несколько кодирующих последовательностей, отвечающих за синтез уникальных для данного вида животных белков. Впрочем, само по себе это открытие не так важно, как детальный анализ этих белков, выявление их функциональности и влияние на фенотип. Однако такие работы еще впереди, и заниматься ими будут, вероятно, уже другие специалисты.
Как будем клонировать?
Своей работой и обещанием в скором времени выдать на-гора полный геном вымершего тысячелетия назад животного Шустер изрядно подогрел научное сообщество и широкие массы. Но параллельно с этой публикацией в Nature вышли несколько «отрезвляющих» статей, касающихся как самих результатов работы, так и уже вертящегося на языке слова «клонирование».
В сопровождающем статью комментарии генетик Михаэль Хофрайтер из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге оценил работу американских генетиков, сравнив её с продолжающимися работами расшифровке полного генома неандертальского человека. По его мнению, даже такой «черновой» геном, может дать толчок массе более специальных исследований.
Генри Николс же, авторитетный научный публицист из английского Гринвича, вплотную прошелся по теме клонирования ископаемого животного, собрав комментарии большого количества разных специалистов, опыт которых потребуется на последовательных стадиях клонирования животного. Свою публикацию писатель приурочил к двухсотлетию со дня рождения Чарльза Дарвина, которую журнал Nature отмечает специальным циклом публикаций.
Для того, чтобы хоть сколько-нибудь серьезно говорить о клонировании мамонта, нужно обладать очень достоверно установленным его геномом. Например, чтобы достоверно иметь не более одной ошибки на 10 000 пар азотистых оснований, современным методам нужно секвенировать ДНК с 12-кратным запасом. Пригодной же для клонирования считается последовательность, прочитанная 30–40 раз.
Сейчас этот коэффициент для генома мамонта находится на уровне 0,7–0,9.
Как нетрудно догадаться, до клонирования такой последовательности очень и очень далеко.
Впрочем, от завершения этой работы ученых, по сути, отделяют только время и деньги. Потому априори можно предположить, что рано или поздно полный и достоверный геном шерстистого мамонта будет получен. Однако на этом этапе проблемы у ученых, вознамерившихся воскресить косматого гиганта, только начинаются. Устраивайтесь поудобнее.
Хромосомы и девочки
Генетические данные для клонирования должны быть представлены не просто в форме длинной цепочки ДНК – их надо разбить на определенной длины кусочки, которые затем свернуть в хромосомы.
Проблема в том, что никто не знает, сколько хромосом было у шерстистого мамонта.
И, возможно, мы этого никогда не узнаем.
Однако надежда есть – можно принять, что хромосом у мамонта было столько же, сколько их осталось у африканского предка – слона, публикация семикратно секвенированной ДНК которого запланирована массачусетскими учеными на следующий год. Однако для того, чтобы провести параллели и аналогии между двумя геномами, разделенными семью с половинами миллионами лет эволюции, и сопоставить 56 слоновьих хромосом с отрезками кода ДНК мамонта, ученым придется проделать титанический труд по определению и учету всех единичных мутаций, удвоений и удалений генов, а также их перестановке.
Более того, в ходе этой адской работы неизбежно возникнет проблема Y-хромосомы, которая у всех млекопитающих характеризуется высокой повторяемостью одних и тех же участков. Разобраться, где у нее начало и конец, а где середина, очень сложно.
Благо, мир состоит не только из мужчин – а потому эту проблему можно просто обойти. Ученые, секвенирующие геном африканского слона так и поступили, изучив женский набор хромосом вместо мужского. Х-хромосома тоже не подарок, однако её секвенирование все же несколько проще.
Поэтому первые клонированные мамонты, скорее всего, будут сплошь девочками.
Так было и в фильме «Парк Юрского периода», однако там люди просто побоялись несанкционированного размножения тварей и сделали их всех однополыми. Если кто помнит фильм — не помогло.
Кроме того, каждая хромосома имеет несколько небольших, но очень важных для работы хромосомы участков, так же характеризуемых высокой повторяемостью компонентов, называемых центромерами. Эти участки помогают внутриклеточному молекулярному механизму манипулировать хромосомами в таких процессах, как деление клеток. Изучить центромерную последовательность, определить, где она начинается и где заканчивается, сегодня невозможно по тем же самым причинам, почему крепким орешком является и Y-хромосома. Такой же неприятной особенностью обладают и концевые участки хромосом – теломеры.
Однако и эта проблема может оказаться разрешимой. По крайней мере, в этом уверен Билл Эрншоу, генетик из университета Эдинбурга, показавший совсем недавно работоспособность искусственно синтезированной центромеры на примере человеческой хромосомы.
Но даже после того, как какими-то невероятными усилиями ученые решат все проблемы с хромосомами, они столкнутся с очень неприятным фактом — набор хромосом нового мамонта будет иметь только одну версию генов, в то время как все млекопитающие, да и не только они, имеют диплоидный набор хромосом, достающихся от обоих родителей. В таких условиях любая ошибка в изначально секвенированной ДНК будет иметь серьезное значение, так как компенсировать её правильной версией гена, доставшейся от другого мамонта, будет просто невозможно.
Сделай сам
Однако прежде чем рассуждать о жизнеспособности полученного таким образом мамонта необходимо синтезировать искусственную ДНК с 4,7 миллиардами нуклеотидных пар.
На сегодняшний день самая длинная полностью синтетическая ДНК имеет около шестисот тысяч нуклеотидных пар и принадлежит бактерии Mycoplasma genitalium. Если учесть, что новый мамонт будет иметь столько же хромосом, сколько и слон, то нетрудно подсчитать, что задача разбивается на 56 кусков длиной по 160 миллионов нуклеотидных пар в среднем. Каждый такой кусок необходимо разбить на подзадачи, длиной до 8 тысяч нуклеотидов – с более длинными кусками ДНК работать современные методики не позволяют.
Насинтезировать много коротких отрезков ДНК – задача сегодня почти рутинная, её можно выполнить довольно быстро и за разумные деньги, распределив нагрузку между несколькими коммерческими фирмами.
Гораздо сложнее затем собрать хромосомы из отдельных отрезков.
В процессе такой сборки удлиняющиеся цепочки становятся очень нестабильными
Группа генетиков из Института Вентера, синтезировавшая геном M. genitalium, собирала большие куски хромосом внутри бактерий E.coli, которые затем интегрировала в «искусственные бактериальные хромосомы», полученные на основе дрожжевых хромосом. Эти хромосомы, помещенные в живую культуру дрожжей, в итоге рекомбинации дали хромосомные отрезки, содержащие в себе целый бактериальный геном.
Вряд ли такой подход можно напрямую масштабировать и применить к гигантскому коду ДНК млекопитающего. По крайней мере, собеседники Николса высказывают скепсис по этому поводу. Но если представить, что ученым все же удастся синтезировать хромосомы будущего мамонта, едва ли в этом случае стоит рассчитывать на успех.
Затем хромосомы нужно поместить в клеточное ядро.
Ученые сходятся во мнении, что лучше всего по старинке брать это ядро из экстракта лягушачьей икры. Этот метод был открыт еще в 80-х годах прошлого столетия.
Потом будет необходимо насобирать яйцеклеток слоних, что будет той ещё задачей, учитывая особенности длительного слоновьего цикла овуляции. Затем в яйцеклетках нужно подменить ядра, рискуя потерять многомиллионный труд из-за несовместимости органелл – например, митохондрий, несомненно, отличных у слонов и мамонтов.
Но это все уже совсем грубое теоретизирование, касающееся, в том числе и соотношения размеров матки мамонтих и слоних, продолжительности жизни клонированного мамонта, и необходимости тут же клонировать еще одного, желательно мальчика, пока юная мамонтиха не умерла с тоски от одиночества, и так далее.
Сегодня мы лишь знаем, как выглядит примерно 0,7 ядерной ДНК мамонта. Подождем, когда появится целая последовательность, и посмотрим, до чего к тому времени дойдет техника клонирования.