Pinky and the Brain / Warner Bros. Animation 1995–1998
Японские ученые на протяжении 20 лет последовательно клонировали мышей и наконец достигли предела, после которого у них перестали получаться жизнеспособные особи. По мнению авторов статьи, опубликованной в Nature Communications, проблемы, повлекшие за собой гибель 58 поколения, связаны не с эпигенетическими нарушениями, а с накоплением мутаций.
Эта работа затрагивает фундаментальный вопрос о том, зачем животным половое размножение. Считается, что при отсутствии рекомбинации запускается храповик Мёллера — процесс необратимого накопления вредных мутаций в популяциях, приводящий к снижению уровня адаптации. Тем не менее в мире есть организмы, для которых бесполое размножение совершенно естественно или даже является основным способом размножения. Среди них есть и грибы, и растения, и животные, однако млекопитающие в ста процентах случаев полагаются на половое размножение. Успехи по клонированию животных сделали возможным проверить предположение о том, что произойдет, если все-таки заставить млекопитающих размножаться клонированием. У этого метода оказалась низкая эффективность, и он связан с частыми аномалиями развития. Считается, что их причина — сбои в перепрограммировании ядра донорской клетки, однако точные механизмы этих нарушений до сих пор неясны.
Саяка и Терухико Вакаяма (Sayaka Wakayama, Teruhiko Wakayama) и их коллеги из Университета Яманаси объявили о завершении своего 20-летнего эксперимента, призванного ответить на этот вопрос. Начиная с января 2005 года, они брали ядро клетки мыши-донора, пересаживали его в яйцеклетку реципиента, выращивали из него новых мышей-доноров и повторяли цикл. Первые два десятка поколений клонированных мышей достаточно легко давали потомство, но на 27 поколении рождаемость начала снижаться. А 58 поколение стало последним — мышата не прожили и суток.
Чтобы проверить, что именно пошло не так, исследователи сравнили мышей разных поколений клонов (технически называть их поколениями, конечно, не совсем корректно). Хотя у клонов наблюдались отличия от контроля (увеличенная плацента, увеличенная масса тела и эпигенетические особенности), они не нарастали от поколения к поколению. Эпигенетические метки, качество эмбрионов и другие параметры оставались сопоставимыми между ранними и поздними клонами. Кроме того, выжившие животные сохраняли нормальную продолжительность жизни и общее здоровье. В итоге авторы делают вывод, что отклонения не связаны с ухудшением приспособленности и не накапливаются при серийном клонировании.
Чтобы отделить вклад эпигенетики и техники клонирования, исследователи проверили, как развиваются ооциты реклонов при обычном оплодотворении. Выяснилось, что ооциты клонированных мышей имеют качество хуже, чем обычные: даже при оплодотворении нормальной спермой большинство эмбрионов не развивалось до стадии бластоцисты. Тем не менее малой части эмбрионов, полученных из поздних поколений клонов удалось выжить. Исследователи считают, что к коллапсу клонирования привели не сбои эпигенетического перепрограммирования, а накопившиеся мутации. При этом возврат к половому размножению позволил успешным эмбрионам частично сбросить этот груз.
Авторы статьи показали, что количество мутаций на поколение у клонированных мышей было выше, чем у обычных, а после 25 поколения начали накапливаться и крупные хромосомные аномалии. Тому есть несколько причин. Во-первых, для клонирования брались соматические клетки, которые уже прошли много раундов деления внутри организма мыши и, соответственно, накопили мутации. Во-вторых — и это самое важное по мнению авторов, — отсутствие рекомбинации помешало клонам избавиться от накопившихся за поколения мутаций, так что доля выживающих мышей на поздних этапах эксперимента становилось все меньше и меньше.
Однозначного объяснения тому, почему мыши с накопленными мутациями не стали чаще болеть и меньше жить, авторы не дают, но предполагают, что выживали только те особи, у которых мутационная нагрузка еще совместима с жизнью. В их эксперименте шел жесткий эмбриональный отбор, и по падению эффективности клонирования видно, что новые поколения проходили его все хуже.
Авторы приводят результаты своей работы как пример действия храповика Мёллера, подчеркивая, что ключевая проблема в их случае связана не с эпигенетическими проблемами, связанными с самой методикой клонирования, а тем, что при клонировании отсутствуют рекомбинация и механизмы очистки генома от вредных мутаций.
Клонирование — это в том числе и перспективный метод сохранения редких видов. Мы рассказывали о том, как зоологи впервые получили потомство от клонированной самки американского хорька. А еще о том, как на свет появилась первая клонированная лошадь Пржевальского.