Клонирование выходит из-под контроля

Клонированный хорек Элизабет Энн

Хорек по имени Элизабет Энн может стать первым клонированным млекопитающим, который поможет спасти вымирающий вид.

В прошлом месяце в природоохранном центре близ Форт-Коллинс, штат Колорадо, сотрудники устроили необычную вечеринку по случаю дня рождения с двухъярусным тортом, приготовленным из тушек луговых собачек и мышей. Получателем жуткого торта было маленькое, похожее на ласку животное по имени Элизабет Энн. Она — первый в мире клонированный черноногий хорек, один из представителей наиболее быстро исчезающих видов Северной Америки, и ее первый день рождения стал важной вехой: она является одним из первых клонов исчезающего вида, достигших половой зрелости.

Теперь Элизабет Энн, клонированная из клеток самки хорька, умершей 35 лет назад, готова снова творить историю. Этой весной, если все пойдет по плану, Элизабет Энн спарится с тщательно отобранным холостяком, чтобы привнести больше генетического разнообразия в колонию диких хорьков, которым угрожает инбридинг. Если она родит здоровых щенков, это будет первый случай, когда биологи смогут интегрировать технологии клонирования в усилия по спасению вида от вымирания.

Успех может подстегнуть зарождающиеся усилия по клонированию других находящихся под угрозой исчезновения млекопитающих, включая носорогов, и помочь сделать технологию полезным инструментом в попытках для сохраняя видов. Но неудача в этой области может усилить давний скептицизм по поводу полезности клонирования и некоторые исследователи считают его слишком дорогим, неэтичным и ограниченным в использовании. Они также опасаются, что это может отвлечь от усилий по решению более широких проблем, таких как разрушение экосистем среды обитания.

“Все, что касается Элизабет Энн, — это гораздо больше, чем наука, стоящая за этим, и это гораздо больше, чем помощь хорькам”, — говорит Бен Новак, руководитель проекта «Черноногий хорек» в некоммерческой организации Revive & Restore, основанной в 2012 году для изучения того, как биотехнологии могут помочь исчезающим и вымершим видам. Речь идет о том, может ли достигнутый прогресс в этой области стать частью мейнстрима охраны природы.

Черноногий хорек (Mustel nigripes) — грациозный полуметровый хищник со злобным нравом. Когда-то он обитал на обширных пространствах Великих равнин, занимая норы на пастбищах, вырытых его любимой добычей: луговыми собачками. Однако к 1970-м годам массовое уничтожение колоний луговых собачек владельцами ранчо и фермерами, привело к сокращению популяции хорьков. В 1973 году хорек стал одним из первых видов, занесенных в список охраняемых в соответствии с новым Законом США об исчезающих видах.

К концу 1970-х годов последняя известная колония хорьков исчезла, и некоторые биологи считали, что этот вид вымер. Но в конце 1981 года в Департамент охоты и рыболовства Вайоминга поступил неожиданный звонок.

Однажды утром владелец ранчо по имени Джон Хогг вышел, чтобы выяснить, откуда доносились странные звуки, слышимые ночью. Он подозревал, что собака семьи Шеп затеяла драку с какой-то рептилией. На земле лежало мертвое странное животное в форме трубки, которое местный таксидермист опознал как черноногого хорька. После того, как биологи изучили территорию вокруг ранчо Хогга, они были вне себя от радости, обнаружив большую колонию из более чем 100 хорьков.

Элизабет Энн - черноногий хорек

Элизабет Энн — первый клонированный черноногий хорек

Но через несколько лет эта колония также столкнулась с проблемами, сократившись всего до нескольких десятков животных. В 1985 году чиновники приняли решение собрать всех хорьков, которых они смогли найти, в надежде начать программу разведения в неволе. Они поймали 18 особей, но только семь выжили, чтобы размножаться, подвергая вид риску инбридинга, который может подорвать репродуктивную способность вида.

Наша героиня, Элизабет Энн, обязана своим существованием случайной встрече на банкете в Монтане. В 1987 году биолог Оливер Райдер изучал возможность замораживания клеток животных. Будучи молодым ученым в 1970-х годах, он присоединился к новой инициативе, известной как «Замороженный зоопарк Сан-Диего», целью которой было сохранение генетического материала широкого спектра исчезающих млекопитающих, путем заморозки в жидком азоте. На конференции по охране окружающей среды Райдер завел разговор с ветеринаром из Вайоминга по имени Том Торн, который рассказал ему о тяжелом положении черноногих хорьков. Пару лет назад Торн отправил несколько образцов черноногих хорьков в «Замороженный зоопарк», но ученым удалось сохранить клеточную линию только одного: самца с пометкой Племенная книга №2. Райдер предложил Торну отправить еще. Семь месяцев спустя он получил клетки кожи от самки по имени Уилла.

Пока этот генетический материал от дух особей находился в морозильной камере, программа разведения хорьков, которой с 1996 года руководит Служба охраны рыбных ресурсов и диких животных США (FWS), начала набирать обороты. На сегодняшний день около 10 000 хорьков, родилось и многие из них были выпущены в дикую природу. Программа имела выдающийся успех, но выживание хорька все еще далеко гарантированного.

Элизабет Энн - клонированный хорек

Элизабет Энн, клонированный хорек, играет в свой первый день рождения. Скоро ей предстоит ответственная задача, она должна произвести потомство, которое может оживить дикую популяцию.

Одной из угроз является лесная чума, смертельная бактериальная болезнь, завезенная из Азии. Инбридинг также начал сказываться на популяции, ведь все потомки произошли всего от семи животных. Генетические исследования, говорит Новак, показывают, что все они очень родственны. Среднее родство приходится на брата, сестру и двоюродного брата. В результате были накоплены потенциально опасные мутации, говорит исследователь генома Клаус-Питер Копфли из Смитсоновской школы охраны Мейсона. Некоторые животные рождаются с загнутыми хвостами и деформированной грудью.

Чтобы сохранить генетическое разнообразие хорьков, исследователи превратили разведение хорьков в строгую науку. Компьютерная программа помогает им присваивать рейтинг привлекательности каждой возможной паре, основываясь на происхождении животных. Заводчики также полагались на искусственное оплодотворение генетическим материалом, взятым в 1990-х годах у двух выдающихся самцов, известных как Лицо со шрамом и Рокки. Но подобного материала не так много, говорит Пит Гоберт из FWS, который координирует программы восстановления.

Итак, в 2013 году руководители программы обратились в компанию Revive & Restore, чтобы узнать, смогут ли они поддержать разнообразие популяции, превратив маленькие флаконы с «консервированными» замороженными клетками, в живых, дышащих хорьков. Мы хотели увеличить и сохранить как можно больше генетического разнообразия с того небольшого количества, с которого нам пришлось начинать, — говорит Гоберт.

Идея состояла в том, чтобы использовать технологию, которой не существовало, когда в зоопарке хранились образцы — перенос ядра соматических клеток. В этой технологии клонирования специалисты заменяют ядро яйцеклетки ядром, взятым из клетки организма. Электрический разряд побуждает яйцеклетку и ядро к слиянию, а клетку к размножению. Затем эмбрион передается суррогатной матери. В 1995 году овечка Долли стала первым клонированным животным. С тех пор клонирование стало распространенным инструментом для размножения сельскохозяйственных животных, домашних животных, включая кошек и собак, и даже ценных скаковых верблюдов.

Клонирование для сохранения вида имеет гораздо более неоднородную историю. Например, когда заводчики черноногих хорьков впервые обратились к Revive & Restore, были созданы в 2003 году клоны всего трех исчезающих видов, только копытных: гаура (Bos gaurus) и европейского муфлона (Ovis aries musimon) в 2001 году и бантенга (Bos javanicus). В 2015 году ученые клонировали четвертый исчезающий вид — овцу, известную как исфаханский муфлон (O. gmelini isphahanica). Все умерли довольно молодыми (бантенг прожил дольше всех, умерев от травм в возрасте 7 лет) и не произвели потомства.

Отчасти клонирование животных, находящихся под угрозой исчезновения, оказалось более сложным, чем клонирование домашнего скота или домашних животных, поскольку методы разведения и содержания этих видов менее развиты. Программы сохранения также располагают меньшими ресурсами, чем коммерческие предприятия, поэтому у них меньше шансов повторить процедуру после неудачной попытки.

Клонирование исчезающих видов также сталкивается с этическими проблемами. Одна из них заключается в том, действительно ли клон, который может содержать следы ДНК его суррогатной матери, соответствует виду, который исследователи пытаются спасти. Например, клоны черноногих хорьков создаются с использованием клеток домашних хорьков, что означает, что они несут митохондриальную ДНК этого вида, которая остается в клетке после извлечения его ядра.

У некоторых защитников природы есть другие проблемы. Они опасаются, что возможность клонирования редких видов может подорвать поддержку усилий по защите мест обитания и сохранению видов в дикой природе. И клонирование может быть дорогостоящим, потенциально отвлекая средства от других усилий по сохранению видов.

“Я думаю, что у клонирования, безусловно, есть будущее для исчезающих видов, но есть некоторые проблемы”, — говорит Барбара Даррант, директор отдела репродуктивных наук Альянса дикой природы зоопарков Сан-Диего. Для каждого вида нам нужно быть очень осторожными при проведении фундаментальных исследований, — добавляет она.

Несколько лет назад, после тщательных технических и этических проверок, федеральные регулирующие органы решили, что потенциальные выгоды от клонирования хорьков перевешивают риски. Затем, после получения разрешений, Revive & Restore объединилась с фирмами, включая компанию по клонированию домашних животных ViaGen Pets и коммерческого заводчика хорьков, чтобы разработать план, реализация которого обошлась примерно в 40 000 долларов. Он был направлен на создание эмбрионов с ДНК, взятой у Уиллы, самки черноногого хорька, которая умерла в 1988 году.

Выведение клона хорька

Выведение клона хорька, ДНК которого отличается от ДНК других оставшихся хорьков, может привести к увеличению генетических вариаций.

Даже ведущий научный сотрудник ViaGen Pets Шон Уокер не был уверен, что это сработает. Мы знали, что проверили все пункты, — говорит он. Но пока ты не услышишь это сердцебиение, ты всегда будешь немного скептичен, потому что все было в первый раз.

В конце 2020 года команда имплантировала эмбрионы Уиллы трем домашним хорькам и отправила их в Национальный центр сохранения черноногих хорьков в Колорадо, где в неволе проживает около двух третей популяции. К их облегчению, 10 декабря 2020 года одна самка родила Элизабет Энн. Это было очень захватывающе, — говорит Робин Бортнер, специалист по разведению животных в неволе.

Но успех все еще не был гарантирован. Две другие беременности закончились неудачей, и у Элизабет Энн родился мертворожденный однопометник. А когда помещали Элизабет Энн со второй суррогатной матерью и её одомашненными  братьями и сестрами, она часто оказывалась в опасном месте: на дне кучи щенят. Первые пару дней мы очень внимательно следили за ней, — вспоминает Бортнер. Но как только примерно месяц спустя глаза Элизабет Энн открылись, в ней проснулась дерзость черноногого хорька. С тех пор, говорит Бортнер, у нее все хорошо.

Теперь, став полностью взрослой, Элизабет Энн выглядит и звучит как любой другой черноногий хорек. Она поедает мясо и убивает живых хомяков. Смотрители не хотят рисковать, отдавая ей живую луговую собачку, которая весит больше, чем она. Она сердито тараторит на людей, которые подходят слишком близко. Ей нравится нападать и кромсать бумажные пакеты. И помимо ее митохондриальной ДНК, большая часть которой унаследована от ее одомашненной матери, генетический анализ показывает, что она на 100% черноногий хорек.

Этой весной ученые надеются провести процесс спаривания Элизабет Энн. У любого потомства все равно будет митохондриальная ДНК Элизабет Энн со следами домашнего хорька. Чтобы удалить эти следы, любое потомство мужского пола будет спариваться с самками, находящимися в неволе, производя наборы, которые больше не несут митохондриальную ДНК домашней самки.

Заморозка клеток в зоопарке Сан-Диего

В замороженном зоопарке Сан-Диего клетки многочисленных исчезающих видов сохраняются в жидком азоте. Возможности клонирования млекопитающих еще не было, когда в 1980-х годах зоопарк сохранил клетки двух черноногих хорьков.

Успешное добавление генов Уиллы в генофонд черноногого хорька через Элизабет Энн, скорее всего, нанесет удар по биоразнообразию, — говорит Новак. Геномный анализ показал, что ДНК Уиллы содержит в 10 раз больше уникальных аллелей, чем ДНК любого хорька, выращенного в неволе. Это означает, что ее хромосомы обеспечат совершенно новую комбинацию признаков и более высокий уровень генетических вариантов, — говорит Копфли. Это должно замедлить снижение репродуктивной функции хорька.

Чтобы привнести еще больше генетических вариаций в выращенных в неволе хорьков, ViaGen Pets планирует создать компанию для Элизабет Энн. Ученые совершенствуют процедуру клонирования, чтобы сделать ее более эффективной, и попытаются создать следующую партию клонированных хорьков весной 2023 года, чтобы совпасть с сезоном размножения в следующем году.

Успешное использование клонирования для спасения хорьков, вероятно, привлечет внимание и, возможно, финансирование для аналогичных усилий в отношении других исчезающих видов. Но повторить это будет нелегко. Отчасти это объясняется тем, что виды, которые могут извлечь выгоду из клонирования, должны соответствовать многочисленным критериям. Например, у лучших кандидатов есть готовый генетический материал и менее подверженный опасности близкий родственник, который может выступить в качестве суррогатной матери. Это также помогает получить финансирование и инфраструктуру для разведения в неволе. Немногие программы пока могут соответствовать этим требованиям.

Еще одно препятствие заключается в том, что, хотя основной процесс клонирования одинаков для всех млекопитающих, у некоторых видов технология работает лучше, чем у других, и никто не знает почему, — говорит Даррант. Чтобы увеличить шансы на успех, исследователям часто приходится разрабатывать уникальный «рецепт», учитывающий репродуктивные особенности животного, говорит Саманта Вайсли, специалист по охране природы из Университета Флориды, которая работает над программой «Черноногий хорек». Репродуктивная технология специфична для разных видов.

Однако продолжаются усилия по клонированию по крайней мере двух других исчезающих видов. Одна из них — лошадь Пржевальского, коренастая дикая лошадь, которая когда-то бродила по Европе и Азии. Этот вид почти вымер в середине 20 века, и все особи, живущие сегодня, произошли всего от 12 животных. К счастью, в «Замороженном зоопарке» было сохранено около 300 клеточных вариантов, и теперь защитники природы пытаются привнести часть этого утраченного генетического разнообразия в современные популяции.

В 2020 году исследователи создали Курта, клона лошади Пржевальского, чьи клетки были заморожены 40 лет назад. Хотя он родился за несколько месяцев до Элизабет Энн, ему все еще нужно немного подрасти, прежде чем он будет готов к размножению. К весне 2023 года клонированные братья и сестры могут присоединиться к Курту.

Некоммерческая организация Альянс дикой природы зоопарка Сан-Диего, также находится на предварительной стадии попыток клонировать северного белого носорога (Ceratotherium simumcottoni), находящегося под большей угрозой исчезновения из нескольких подвидов носорогов. В живых осталось только два северных белых носорога, и ни один из них не способен иметь потомство. В качестве первого шага ученые работают над методами включения генома северного белого носорога в клетки близкого родственника, южного белого носорога (C. simum simum). И как только команда усовершенствует свои методы, мы, конечно, надеемся, что сможем применить их к черному носорогу, суматранскому носорогу и, возможно, яванскому носорогу, — говорит Даррант.

Некоторые исследователи рассматривают не только клонирование, но и другие генетические технологии, которые могли бы помочь исчезающим видам. Птиц, например, нельзя клонировать, но компания Revive & Restore недавно создала исследовательский консорциум для разработки техники, которая могла бы выполнять аналогичную процедуру. Она включает введение первичных зародышевых клеток исчезающего вида в эмбрион суррогатного вида, такого как курица. Затем эти зародышевые клетки мигрируют в гонады цыпленка. Таким образом, домашний петух может впоследствии стать родителем, скажем, находящейся под угрозой исчезновения степной курицы.

Инструменты редактирования генов CRISPR также могут сыграть определенную роль в сохранении. Например, редактирование генома черноногих хорьков, чтобы они могли противостоять дикой чуме, может изменить правила игры. Копфли и его сотрудники сейчас сравнивают геном черноногого хорька с геномом его домашнего родственника, который не подвержен заболеванию, в надежде определить генетическую основу устойчивости. Но на самом деле генетическая модификация хорьков и последующий их выпуск в дикую природу, потребовали бы обширных юридических и этических дискуссий.

На данный момент опекуны Элизабет Энн только готовятся выбрать ей идеального спутника. Каждый самец хорька в шести питомниках, разбросанных по Соединенным Штатам и Канаде, подвергается тщательной проверке. Отчасти это объясняется тем, что у Элизабет Энн, скорее всего, будет всего несколько хороших лет размножения, а ежегодные пометы составляют в среднем от трех до пяти детенышей. Заводчики решили, что в первую очередь им нужен надежный джентльмен — они не могли рисковать тем, что агрессивный хорек причинит вред их единственному созданию.

В этом месяце они составят короткий список и сделают свой выбор. Если наиболее подходящий вариант окажется в другой стране, его отправят в Колорадо. Будут взяты все необходимые образцы на случай, если они понадобятся для искусственного оплодотворения Элизабет Энн. Но все надеются, что как только два хорька встретятся, природа просто сделает всё сама.

Рэйчел Фриттс
Рэйчел Фриттс
Рэйчел — стажер отдела новостей в Science.

Версия этой истории появилась 14 января в журнале Science, Vol 375, Issue 6577.

Читайте также: