Klonavimas: apibrėžimas, tipai, DNR ir molekulinė biologija
Sužinokite viską apie klonavimą: apibrėžimą, klonavimo tipus, DNR reikšmę ir molekulinės biologijos metodus — aiškiai, suprantamai ir aktualiai.
Klonas - tai bet kokia ląstelė ar individas, kuris yra identiškai susiderinęs genetine informacija su kitu. Tai apima tiek natūraliai atsirandančius atvejus, tiek sąmoningai sukurtas kopijas laboratorijoje.
Biologijoje klonavimas reiškia procesą, kurio metu gaunami vienas ar keli genetiškai identiški individai arba ląstelės. Dažniausiai kalbama apie informuotą arba techninį identiškos kopijos kūrimą. Pirmasis didelio atgarsio sulaukęs žinduolių klonavimo pavyzdys yra garsioji avies Dolly, kurios gimimas parodė, kad galima atkurti visą organizmą iš suaugusios somatinės ląstelės branduolio. Žmogaus identiški dvyniai yra natūralūs klonai — jie atsiranda, kai vienas apvaisintas kiaušinėlis padalijamas į du embrionus. Taip pat natūralūs klonai susidaro aseksualaus dauginimosi metu arba partenogenezės atvejais, kai nedalyvauja mejozė.
Klonavimo tipai
- Reprodukcinis klonavimas: kuriama gyva nauja organizmo kopija (pvz., metodai kaip somatinės ląstelės branduolio pernešimas — SCNT). Tikslas – gauti visiškai naują individą.
- Terapeutinis klonavimas: gaminamos embrioninės kamieninės ląstelės arba audiniai konkrečiam medicininiam tikslui, pvz., audinių atstatymui ar ligų tyrimams.
- Ląstelių linijų klonavimas: išskaidant atskirą ląstelę gaunamos kloninės ląstelių populiacijos laboratorijoje (dažnai naudojama biologiniuose eksperimentuose ir farmakologijoje).
- Molekulinis (genų) klonavimas: DNR fragmentų įterpimas į vektorius (plazmides, virusus) ir jų dauginimas bakterijose arba kituose organizmuose siekiant išgauti baltymus ar tirti genus.
- Embrionų skaldymas: ankstyvo embriono chirurginis padalijimas į kelias dalis, iš kurių kiekviena gali vystyti naują individą — tai natūralus arba dirbtinis dvynių gavimo būdas.
DNR, ląstelės ir molekulinė biologija
Genetikos ir ląstelės biologijos srityse klonavimas dažnai sutelktas į DNR sekos kopijavimą, tačiau svarbios ir kitos makromolekulės bei ląstelinės struktūros. Laboratorinis molekulės kopijavimas, siekiant gauti tikslias kopijas, taip pat vadinamas klonavimu — čia naudojamos tokios metodikos kaip PCR (grandininės reakcijos polimerazė), restrikcinių fermentų panaudojimas ir vektorių įterpimas, kad DNR fragmentas būtų dauginamas bakterijose ar kitose sistemose.
Ląstelių kultūrose pasitaiko klonų, tačiau yra keletas svarbių niuansų:
- Bet kokie DNR pokyčiai (mutacijos) lemia, kad dukterinės ląstelės nebus visiškai identiškos motininėms ląstelėms.
- Epigenetiniai skirtumai (pvz., metilinimas, histonų modifikacijos) ir genų ekspresijos pokyčiai lemia ląstelių diferenciaciją — todėl subrendusios audinių ląstelės funkcionaliai skirsis nuo pirminių kamieninių ląstelių, nors kilusios iš tos pačios motininės ląstelės.
- Klono genetinė tapatybė gali skirtis dėl mitochondrinės DNR — SCNT atveju mitochondrijos lieka iš oocito (kiaušinėlio), tad jos gali skirtis nuo branduolio donorės.
Net ir pačios geriausiai atkartotos kopijos nėra visiškai absoliučiai identiškos: skirtingi aplinkos, senėjimo veiksniai, telomerų ilgis ir atsitiktinės mutacijos gali sukelti skirtumus. Pvz., Dolly atveju aptikti trumpesni telomerai sukėlė diskusijas apie klonuotų gyvūnų senėjimo procesus.
Molekulinio klonavimo pagrindinės technologijos
- Restrikcinių fermentų ir ligazių naudojimas rekombinantinei DNR konstravimo.
- Plazmidų, bakteriofagų ar virusinių vektorių panaudojimas genų pernešimui.
- Transformacija ar transdukcija bakterijose/kitose ląstelėse bei atranka (antibiotikų rezistencijos žymenys).
- PCR ir sekoskaita (Sanger, NGS) kopijų gavimui ir patikrai.
- CRISPR ir kitos genų redagavimo technologijos, leidžiančios tiksliai modifikuoti genomą prieš klonavimą ar kartu su juo.
Taikymas ir etiniai klausimai
Klonavimas turi daug praktinių pritaikymų:
- medicinoje — audinių inžinerija, kamieninių ląstelių terapijos, genetinių ligų modeliavimas;
- žemės ūkyje — selekcijos greitinimas, vertingų gyvūnų arba augalų kopijavimas;
- konservacijoje — retų ar nykstančių rūšių populiacijų atkūrimas (sudėtinga ir su rizika);
- moksliniuose tyrimuose — genų funkcijų tyrimams, baltymų gamybai.
Tačiau klonavimas kelia ir rimtų etinių, teisinių bei praktinių problemų: žmogaus reprodukcinio klonavimo daugelyje šalių draudžiama, kyla gyvūnų gerovės, genetinės įvairovės mažėjimo ir nežinomų ilgalaikių sveikatos padarinių klausimų. Terapeutinis klonavimas susijęs su embrionų teisinio statuso ir kamieninių ląstelių šaltinių diskusijomis.
Santrauka
Klonavimas yra plati sąvoka, apimanti gyvų organizmų, ląstelių ir molekulių kopijavimą. Tai gali būti natūralus procesas (pvz., dvyniai, aseksualus dauginimasis) arba laboratorinis metodas (molekulinis klonavimas, SCNT). Nors klonai dažnai turi labai panašią genetinę informaciją, praktikoje visi klonai pasižymi tam tikrais skirtumais dėl mutacijų, epigenetikos, mitochondrinės DNR ir aplinkos veiksnių. Klonavimo technologijos atveria svarbias mokslo ir medicinos galimybes, bet kartu reikalauja atsargumo ir etinio apsvarstymo.
Ne visai identiška
Nors klonai iš pradžių būna vienodi, jie tokie gali ir nelikti. Identiškų dvynių fenotipai visada šiek tiek skiriasi.
Nors monozigotiniai dvyniai genetiškai yra beveik identiški, 2012 m. atlikus 92 monozigotinių dvynių porų tyrimą nustatyta, kad monozigotiniai dvyniai ankstyvuoju vaisiaus vystymosi laikotarpiu įgyja kelis šimtus genetinių skirtumų. Tai lemia mutacijos (arba kopijavimo klaidos), įvykusios kiekvieno dvynio DNR po embriono padalijimo. Apskaičiuota, kad monozigotinių dvynių rinkinys vidutiniškai turi apie 360 genetinių skirtumų, atsiradusių vaisiaus vystymosi pradžioje. Tačiau šie pokyčiai gali turėti nedidelį praktinį poveikį. Praktiškai identiški dvyniai atrodo ir elgiasi labai panašiai.
Dar viena monozigotinių dvynių skirtumų priežastis yra epigenetinė modifikacija. Tai lemia skirtingas aplinkos poveikis per visą gyvenimą, kuris turi įtakos genų įjungimui ar išjungimui. Atlikus 80 porų monozigotinių dvynių, kurių amžius svyruoja nuo 3 iki 74 metų, tyrimą paaiškėjo, kad jauniausi dvyniai turi palyginti nedaug epigenetinių skirtumų. Su amžiumi epigenetinių skirtumų skaičius didėja. Penkiasdešimtmečių dvynių epigenetiniai skirtumai buvo daugiau nei tris kartus didesni nei trejų metų dvynių. Didžiausi skirtumai buvo tarp dvynių, kurie savo gyvenimą praleido atskirai (pavyzdžiui, dvyniai, kuriuos gimdami įsivaikino du skirtingi tėvai). Tačiau tam tikros dvynių savybės, pavyzdžiui, intelekto koeficientas ir asmenybė, su amžiumi tampa panašesnės. Šis reiškinys rodo genetikos įtaką daugeliui žmogaus savybių ir elgesio aspektų.
Klonuotos rūšys
- Karpiai: (1963 m.) Kinijoje embriologas Tongas Dižou išvedė pirmąją pasaulyje klonuotą žuvį, įterpdamas karpio patino ląstelės DNR į karpio patelės kiaušinėlį. Jis paskelbė rezultatus Kinijos mokslo žurnale.
- Pelės: (1986 m.) pelė buvo pirmasis žinduolis, sėkmingai klonuotas iš ankstyvosios embriono ląstelės. Sovietų mokslininkai Čailachianas, Veprencevas, Sviridova ir Nikitinas klonavo pelę Mašą. Tyrimai buvo paskelbti 1987 m. žurnalo "Biofizika" ХХХII tomo 5 numeryje.
- Avys: (1996) Iš ankstyvųjų embrioninių ląstelių Steen Willadsen. Megan ir Morag[19] 1995 m. birželio mėn. klonuotos iš diferencijuotų embrioninių ląstelių, o 1997 m. iš somatinės ląstelės - avelė Dolly.
- Beždžionė: (2000) Tetra, nuo embriono skilimo.
- Gauras: (2001 m.) buvo pirmoji klonuota nykstanti rūšis.
- Galvijai: Alfa ir Beta patinai 2001 ir 2005 m., Brazilija.
- Katė: CopyCat "CC" (patelė, 2001 m. pabaiga), Little Nicky, 2004 m., buvo pirmoji katė, klonuota komerciniais tikslais.
- Šuo: (2005 m.) Snuppy, afganų kurto patinas, buvo pirmasis klonuotas šuo.
- Žiurkės: (Ralfas - pirmoji klonuota žiurkė.
- Mulas: (2003 m.) Idaho Gem, Džono mulas, buvo pirmasis arklių šeimos klonas.
- Žirgas: (2003 m.) Prometea, haflingų veislės kalytė, buvo pirmasis arklio klonas.
- Vandens buivolas: (2009 m.) Samrupa buvo pirmasis klonuotas vandens buivolas. Jis gimė Indijos Karnalo nacionaliniame diarinių tyrimų institute, bet po penkių dienų mirė nuo plaučių infekcijos.
- Kupranugaris: (2009) Pirmasis klonuotas kupranugaris.
- Krabais mintanti makaka: (2018 m.) Pirmą kartą mokslininkai klonavo bet kurią beždžionę ar žmogbeždžionę, naudodami vyresnio nei embrionas donoro ląsteles.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra klonavimas?
A: Klonavimas - tai procesas, kurio metu gaunamas vienas ar daugiau genetiškai identiškų individų. Tai gali būti sąmoningas identiškos kopijos gaminimas, kaip, pavyzdžiui, avies Dolly atveju, arba natūralūs klonai, pavyzdžiui, žmogaus identiški dvyniai arba palikuonys, atsiradę dėl aseksualaus dauginimosi.
K: Kaip klonavimas veikia genetikos ir ląstelių biologijos srityje?
A: Genetikos ir ląstelės biologijos srityje klonavimas visų pirma susijęs su DNR seka, o kartu ir su visomis kitomis makromolekulėmis. Bet kokie DNR pokyčiai reiškia, kad dukterinės ląstelės nėra identiškos motininėms ląstelėms. Paprastai vystymosi metu genai įjungiami ir išjungiami, todėl dukterinės ląstelės diferencijuojasi į subrendusias audinių ląsteles, kurios nėra identiškos pradinėms kamieninėms ląstelėms.
Klausimas: Ar klonavimas paplitęs tarp žinduolių?
A: Klonavimas yra natūralus kai kuriems gyvūnams, tačiau žinduoliams jis pasitaiko retai. Išimtis - devynpirštis šarvuotis, kuris paprastai atsiveda identiškus ketvertukus.
K: Ar yra kokių nors laboratorinių metodų molekulėms klonuoti?
A: Taip, laboratorinis molekulės kopijavimas, siekiant gauti tikslias kopijas, taip pat vadinamas klonavimu.
K: Ar visi klonai yra tikslios vienas kito kopijos?
Atsakymas: Ne, dėl DNR pokyčių dukterinės ląstelės ne visada yra tikslios motininės ląstelės kopijos, net jei iš pradžių jos buvo išvestos iš motininės ląstelės. Vystymosi metu įjungiami ir išjungiami genai, todėl dukterinės ląstelės ir pirminės kamieninės ląstelės diferencijuojasi, todėl jos nebegali būti tikslios viena kitos kopijos.
Klausimas: Ar avelė Dolly yra klonavimo pavyzdys?
Atsakymas: Taip, Dolly buvo klonuota naudojant metodą, vadinamą somatinių ląstelių branduolių perkėlimu (SCNT). Tai buvo vienas pirmųjų sėkmingų žinduolių klonavimo pavyzdžių istorijoje.
Ieškoti