Klonowanie - zastosowanie i znaczenie

Odtwarzanie wymarłych gatunków oraz zwiększanie populacji zwierząt zagrożonych wyginięciem przestaje być jedynie fantastyką naukową. Próby ratowania zwierząt bliskich wymarciu podejmowane są dzięki stale rosnącej wiedzy na temat klonowania. Techniki klonowania z powodzeniem wykorzystywane są do tworzenia populacji bydła o pożądanych przemysłowo cechach, a także do komercyjnego tworzenia klonów zwierząt domowych.

Klonowanie i klon

Klonowanie organizmów to tworzenie ich genetycznie identycznych kopii, czyli klonów.

Klonowanie zachodzi w przyrodzie naturalnie. Do naturalnych klonów należą m.in.:

• organizmy powstałe z podziału pojedynczej komórki, tj. bakterie, protisty czy niektóre grzyby;

• osobniki powstałe z fragmentów rośliny macierzystej na skutek rozmnażania wegetatywnego;

• zwierzęta powstałe przez pączkowanie (drożdże, stułbia);

• potomstwo zwierząt powstałe w wyniku poliembrionii, czyli rozdzielenia się komórek zarodka we wczesnym stadium rozwoju lub wskutek bezpośredniego podziału zygoty.

RwbHkBkO1QVzY

Na zdjęciu znajdują się niewielkie krzaczki truskawek z charakterystycznymi, trójdzielnymi, postrzępionymi liśćmi i jasnoróżowymi kwiatkami. Od krzaczków odchodzą czerwone, długie łodygi, z których wyrastają niewielkie rośliny.

R1BbkyjADDva2

Fotografia przedstawia kłącze trzciny pospolitej wyrwane z ziemi i położone na piasku. Od długiego, prostego korzenia odchodzi w górę kilka kłączy, z których wyrastają zielone rośliny.

RMDDIyC0bTifI

Fotografia przedstawia bulwę słonecznika bulwiastego – topinamburu. Od owalnej pokrytej piaskiem bulwy odchodzą cienkie, białe korzenie, a w górę wyrasta długa łodyga oraz pojedyncze, niewielkie listki.

Klonowanie zachodzi niekiedy podczas rozwoju ludzkiego zarodka. Wówczas w ciągu pierwszych dwóch tygodni rozwoju zygoty dochodzi do rozdzielenia się zarodka i niezależnego rozwoju każdej z jego części w odrębny organizm. 

RqC3CQtASMPeT

Ilustracja przestawia schemat rozwoju ciąży bliźniaczej jednojajowej. Z lewej różowa komórka jajowa z błękitnym jądrem. Strzałka prowadzi do koła, oznaczającego zarodek, z dwoma takimi komórkami. Kolejne różowe koło z dwoma skupieniami komórek u góry oznacza rozwój dwóch zarodków, powstałych z podziału zygoty na dwie części. Na końcu ukazano schematycznie, że w macicy w jednym jaju płodowym rozwijają się dwa identyczne genetycznie zarodki.

Dzieci, które rodzą się z takiej ciąży, pochodzą z jednej pary gamet i dlatego mają identyczny genotyp, co skutkuje bardzo dużym podobieństwem fizycznym. Bliźnięta jednojajowe (monozygotyczne) są więc własnymi kopiami – klonami. Zjawisko narodzin takich bliźniąt u człowieka jest jednak dość rzadkie i dotyczy ok. 0,35% wszystkich ciąż.

R1SbSMapqCfr3

Na zdjęciu są dwie identyczne ciemnoskóre dziewczynki. To identyczne bliźniaczki jednojajowe. Mają czarne, duże oczy, czarne kręcone włosy. Są ubrane w białe bluzki z pofalowanymi krótkimi rękawkami. Są uśmiechnięte. Zdjęcie zostało wykonane wewnątrz autobusu. Dziewczynki obejmują się. Trzymają się za dłonie. Stanowią klony. To identyczne genetycznie potomstwo jednej komórki lub jednego osobnika powstałe w wyniku podziału komórki lub organizmu. Bliźnięta cechują się jednakowym genotypem. Nawet ich linie papilarne są do siebie podobne, choć nie są identyczne.

Klonowanie roślin

Indukowane klonowanie roślin wykorzystywane jest w sadownictwie i ogrodnictwie. Obejmuje ono zarówno tradycyjne metody rozmnażania wegetatywnego, takie jak sadzonkisadzonkasadzonki i szczepienieszczepienieszczepienie, jak i nowoczesne techniki biotechnologiczne, polegające na wyprowadzaniu całych roślin z pojedynczych komórek lub tkanek. W metodach tych, komórki pobrane od rośliny hoduje się na sztucznych pożywkach zawierających substancje odżywcze i potrzebne do wzrostu hormony roślinne. Z hodowanych komórek uzyskuje się najpierw kalus - rodzaj szybkorosnącej i niewyspecjalizowanej tkanki, a z niego całe rośliny. Klonowanie roślin tą metodą określane jest jako mikrorozmnażanie (mikropropagacja).

R1QOP0Ef0rx1T

Na ilustracji znajduje się tkanka kalusowa tytoniu szlachetnego. Znajduje się w przezroczystej, okrągłej podstawce, ma postać grudkowatej, zielonej masy.

RMe0mrmlIbIia1

Zdjęcie przedstawia kwiat goździka pysznego. Ten kwiat o purpurowej cienkiej łodydze, ma pięć rozgałęzionych bladofioletowych płatków. Środek okwiatu jest śnieżnobiały. Łodyga nie ma liści.

Mikrorozmnażanie znajduje szczególne zastosowanie w przypadku produkcji roślin, które trudno uzyskać przez tradycyjne ukorzenianie lub których nasiona są drogie i wolno kiełkują. Dzięki mikrorozmnażaniu skraca się znacznie cykl produkcyjny, a młode rośliny mogą być długo przechowywane i łatwo transportowane w dużych ilościach (ok. 15‑kilogramowa paczka może zawierać aż 40 tys. młodych roślin!).

Obecnie na świecie dzięki mikrorozmnażaniu produkuje się rocznie ponad 800 mln sztuk roślin, głównie ozdobnych. Metoda ta jest również wykorzystywana do rozmnażania drzew oraz roślin użytkowych i leczniczych.

Klonowanie zwierząt

Klonowanie zwierząt przeprowadza się z wykorzystaniem dwóch metod: rozdziału komórek zarodka lub transferu jąder komórkowych. 

Klonowanie metodą rozdziału komórek zarodka

Rozdzielenie komórek zarodka to metoda polegająca na oddzieleniu poszczególnych komórek budujących zarodek na wczesnych etapach jego rozwoju. W metodzie wykorzystuje się zarodki kilkukomórkowe, kiedy to komórki je budujące, czyli blastomeryblastomeryblastomery są jeszcze totipotencjalnetotipotencjalnośćtotipotencjalne. Ponieważ z czasem komórki te tracą zdolność do przekształcenia się w dowolny element organizmu, próba ich rozdzielenia w późniejszej fazie uniemożliwiłaby prawidłowy rozwój nowego osobnika.

R1d9lzBq4AMys

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia embrion lancetnika w fazie dwóch i czterech komórek. To podział bliźniaczy. W procesie tym powstają dwie, a następnie kolejne komórki potomne, nazywane blastomerami. Kiedy embrion składa się z dwóch do ośmiu komórek, można je rozdzielić, czyli przeprowadzić bisekcję. Po lewej stronie znajduje się dwukomórkowy brązowy embrion. A po prawej embrion składający się z czterech komórek. Również barwy brązowej. Przez środek mikrofotografii przebiega czarna linia podziału.

Klonowanie metodą rozdziału zarodków przebiega w kilku etapach: 

1. komórki tworzące zarodek rozdziela się, a następnie hoduje w warunkach laboratoryjnych;

2. każda komórka rozwija się w identyczny zarodek;

3. zarodki składające się z kilkunastu komórek wprowadza się do macic matek zastępczych;

4. w rezultacie rodzą się zwierzęta o takim samym materiale genetycznym.

Klonowanie metodą rozdzielania zarodków z powodzeniem wykorzystywane jest w przypadku zwierząt hodowlanych, zwłaszcza owiec i bydła, a także świń i koni. 

Klonowanie metodą transferu jąder komórkowych

Metoda transferu jąder komórkowych jest najczęściej stosowaną metodą klonowania zwierząt. Polega na zastąpieniu jądra komórki jajowej jednego osobnika jądrem komórki somatycznej drugiego.

Klonowanie zwierząt przebiega w kilku etapach:

1. Z komórki jajowej biorcy usuwa się jądro komórkowe.

2. Z wybranej tkanki (np. skóry) innego organizmu tego samego gatunku (dawcy) izoluje się komórkę diploidalną, z której pobiera się jądro komórkowe i przenosi do przygotowanego wcześniej jaja.

3. Następnie poddaje się je szokowi elektrycznemu, w wyniku którego zaczyna się ono dzielić i tworzy zbudowany z kilku komórek zarodek. Wszystko to odbywa się in vitro, czyli poza organizmem.

4. Aby umożliwić dalszy rozwój zarodka, musi on zostać wszczepiony do macicy matki zastępczej – samicy tego samego gatunku co klon lub bardzo blisko z nim spokrewnionego.

Owca Dolly

Kluczowe znaczenie w historii klonowania zwierząt miały narodziny owcy Dolly w 1996 r. Owca ta przyszła na świat w szkockim Instytucie Roślin pod Edynburgiem, gdzie naukowcy pracowali pod kierunkiem Iana Wilmuta i Keitha Campbella. Od owcy czarnogłowej pobrano komórkę jajową i usunięto z niej jądro komórkowe. Zastąpiono je jądrem pobranym z komórki gruczołu mlekowego owcy białej. Następnie otrzymaną w ten sposób zygotę stymulowano do podziałów. Po 6 dniach kilkukomórkowy zarodek został umieszczony w macicy matki zastępczej, która urodziła zdrową Dolly.

RTXQEPY0Rswv7

Schemat przedstawia sposób przeprowadzenia klonowania. U góry dwie owce różnych ras, brązowa i szara. Od brązowej pobrano komórkę jajową, od szarej somatyczną i dokonano transplantacji jądra komórkowego. Przy komórce po transplantacji żółta błyskawica, oznaczająca impuls elektryczny. Poniżej pomarańczowy zarodek. Strzałka wskazuje umieszczenie go w macicy brązowej matki zastępczej. Wynik: białe jagnię po prawej.

RVUZHFSU6O3ZK

Zdjęcie przedstawia spreparowaną owcę Dolly. Znajduje się ona w Muzeum Narodowym w Edynburgu, w Szkocji. Owca Dollyto owca dużej ramie ciała osadzonej na dość krótkich nogach. Jej wełna była jednolita, średnio gruba. A umaszczenie kremowe. Pysk owcy był wąski. Miała brązowe małe oczy. Niewielkie szpiczaste uszy. Owca Dollybyła pierwszym zwierzęciem sklonowanym z komórek somatycznych dorosłego osobnika metodą transferu jąder. Za spreparowanym zwierzęciem na zdjęciu są zwiedzający Muzeum ludzie.

Znaczenie klonowania zwierząt i człowieka

Ochrona gatunków

Rozwój technik klonowania zwierząt nie tylko wpłynął na możliwość ochrony gatunków zagrożonych, których populacje są coraz mniej liczne, lecz także daje szansę na przywrócenie gatunków wymarłych, takich jak koziorożec pirenejski (Capra pyrenaica pyrenaica), żaba gęborodna (Rheobatrachus silus) czy inne gatunki zwierząt, których materiał genetyczny został zabezpieczony. Sukcesem zakończyło się odtworzenie populacji krów z wyspy Enderby w Nowej Zelandii, co daje nadzieję na kolejne reintrodukcje gatunków do ich dawnych siedlisk.

Rolnictwo i cele komercyjne

Klonowanie przyczynia się również do selekcji gatunków bydła i innych zwierząt hodowlanych o wysokim potencjale produkcyjnym lub zwiększonej tolerancji na czynniki stresowe i chorobotwórcze. To samo dotyczy roślin. Dzięki metodzie transferu jąder komórkowych udało się wyhodować bydło, u którego nie występują prionyprionypriony odpowiedzialne za chorobę wściekłych krów lub których mleko charakteryzuje się większą zawartością kazeiny. Klonowanie wykorzystuje się także do reprodukcji cennych ras koni. 

W świecie roślin klonowanie wykorzystuje się do masowej produkcji odmian o ulepszonym składzie chemicznym, np. roślin leczniczych o wyższym stężeniu substancji czynnych czy zbóż o zwiększonej zawartości niezbędnych aminokwasów. Ponadto, techniki te są kluczowe w sadownictwie do namnażania roślin wolnych od wirusów, co gwarantuje zdrowotność całych plantacji przez wiele lat.

Medycyna i farmakologia

Dzięki klonowaniu stworzono modele zwierzęce do badań nad chorobami występującymi u ludzi, takimi jak cukrzyca, mukowiscydoza, zwyrodnienie barwnikowe siatkówki. Modele te mają ogromne znaczenie w analizie rozwoju tych chorób oraz testowaniu nowych leków. 

Obawy etyczne wokół klonowania zwierząt

Wątpliwości dotyczące klonowania zwierząt wynikają przede wszystkim z niskiej wydajności tej metody, związanej z dużą umieralnością klonów: zarodków i urodzonych zwierząt. 

Zanim w 1996 r. sklonowano owcę Dolly, liczne próby klonowania starszych, bardziej zróżnicowanych komórek zarodków kończyły się niepowodzeniem. W przypadku owcy Dolly jedynie 1 z 277 zrekonstruowanych zarodkówdał pożądany efekt w postaci osobnika, który osiągnął dorosłość (wydajność na poziomie 0,3%). Obumieranie zarodków i poronienia spowodowane były wadami genetycznymi lub problemami z właściwym zagnieżdżeniem się zarodka w macicy matki zastępczej czy zaburzeniami funkcji łożyska. Niedługo po sklonowaniu owcy Dolly uczeni z Uniwersytetu Hawajskiego w Honolulu, tą samą metodą uzyskali kilkadziesiąt klonów myszy – w tym przypadku sukcesem zakończyło się ok. 1% prób. Z 800 zaimplantowanych blastocystblastocystablastocyst jedynie 10 osobników dożyło dorosłości. Efektem prac naukowców było uzyskanie linii klonów mysich, które mogą służyć w badaniach eksperymentalnych.

Zwierzęta, które udało się sklonować, często umierają przedwcześnie lub cierpią na różne choroby, takie jak niewydolność wątroby czy niedorozwój układu oddechowego. Z powodu tych zaburzeń klonowanie zwierząt dla mięsa i mleka budzi obawy ze względu na ich potencjalny negatywny wpływ na zdrowie człowieka. Klon byka Chance, Second Chance, przeżył jedynie 8 lat (Chance dożył 21 lat), a owca Dolly przeżyła zaledwie 6,5 roku, przy średniej długości życia gatunku na poziomie 12 lat. Istnieją jednak przypadki, w których klony zwierząt osiągają typowy wiek dla swojego gatunku lub rasy. Przykładem jest Snuppy, klon charta afgańskiego (pierwszy sklonowany pies metodą transferu jądra komórkowego), który dożył 10 lat (zakładany wiek dla rasy), a dwie samice tej rasy przeżyły 9 lat.

Obawy etyczne wokół klonowania ludzi

Możliwość klonowania dorosłych zwierząt wywołała też dyskusję nad klonowaniem ludzi, zwłaszcza po udanych próbach klonowania naczelnych, począwszy od sklonowania w 1997 r. zarodków rezusa (Macaca mulatta) metodą transferu jąder. Rozważano różne sytuacje, w których takie klonowanie mogłoby być pożądane. Jedną z nich jest bezpłodność partnerów, u których można by przeprowadzać tzw. klonowanie reprodukcyjne. Obawy etyczne w tym przypadku wiążą się z niską skutecznością tej metody. Przy założeniu, że powiedzie się jedna próba na 100, otrzymanie u bezpłodnej pary potomstwa na drodze klonowania wiązałoby się z koniecznością uzyskania co najmniej 100 komórek jajowych od różnych kobiet (dawczyń oocytów). Zatem doczekanie się przez jedną parę potomstwa będącego klonem jednego z partnerów wymagałoby dużej ingerencji u kilkuset kobiet. Ponadto niska skuteczność metody oznacza śmierć wielu ze stworzonych zarodków, a także konieczność utylizacji tych, które nie zostały wykorzystane.

Ponadto obserwacje dokonane na przykładzie klonowania zwierząt dają podgląd na temat możliwych następstw klonowania ludzi. Powodowane klonowaniem wady rozwojowe, choroby i śmiertelność, a także skrócona średnia długość życia zwierząt mogą z dużym prawdopodobieństwem wystąpić też u ludzi.

Wraz z rozwojem technik klonowania oraz zwiększaniem się ich dostępności problem wykorzystania tej metody u człowieka będzie powracać i niezbędne stanie się wprowadzenie rozwiązań prawnych w tym zakresie.

Klonowanie ludzi może mieć także charakter terapeutyczny. To zastosowanie wiąże się z analizą zarodków przed implantacją w macicy oraz ich selekcją, a także możliwością tworzenia komórek macierzystych na bazie komórek dawcy. Większość wytworzonych dla tych celów zarodków, niespełniających wymaganych kryteriów oraz stanowiących źródło materiału transplantacyjnego, byłaby uśmiercana. W procesie wytwarzania linii komórkowych (a na dalszym etapie być może organów do przeszczepów) zarodki stanowiące źródło materiału transplantacyjnego również byłyby uśmiercane. To właśnie z zarodków uzyskiwanych w wyniku klonowania metodą transferu jądra komórkowego pobierane byłyby komórki macierzyste w celu leczenia dawcy komórek somatycznych użytych do klonowania. Zaletą otrzymanych w ten sposób komórek macierzystych jest zgodność tkankowa i w związku z tym brak konieczności stosowania immunosupresji u biorcy.

Klonowanie terapeutyczne również budzi wątpliwości etyczne. Brak regulacji dotyczących wykorzystania tej metody u ludzi może prowadzić do sytuacji, w których możliwe będzie sklonowanie noworodków obumarłych pod koniec ciąży lub krótko po porodzie, a także przedwcześnie zmarłych dzieci. Co więcej, możliwe byłoby klonowanie dorosłych osób w celu zapewnienia organów do przeszczepu dla dawcy komórek. Obawy wiążą się też z możliwością klonowania osób utalentowanych, obdarzonych cechami zapewniającymi sukcesy w różnych dziedzinach życia, np. w sporcie. Może się to przyczynić do sterowania rozwojem rasy ludzkiej i marginalizacji osób niepełnosprawnych.

Regulacje prawne dotyczące reprodukcyjnego i terapeutycznego klonowania ludzi

Klonowanie reprodukcyjne człowieka, czyli prowadzące do narodzin sklonowanego człowieka jest obecnie zakazane we wszystkich państwach europejskich, choć podstawy prawne tego zakazu różnią się w zależności od kraju.

• W 1997 r. Światowa Organizacja Zdrowia uznała klonowanie ludzi za niedopuszczalne.

• Protokół dodatkowy o zakazie klonowania istot ludzkich przyjęty przez Radę Europy 12 stycznia 1998 r. w Paryżu, będący częścią Konwencji o Ochronie Praw Człowieka i Godności Istoty Ludzkiej wobec Zastosowań Biologii i Medycyny, jednoznacznie zakazuje klonowania ludzi.

• 7 września 2000 r. Parlament Europejski przyjął rezolucję dotyczącą zakazu klonowania człowieka.

• Kwestia klonowania została także poruszona przez Organizację Narodów Zjednoczonych – uchwała z 2005 r. wzywa do zaprzestania klonowania ludzi w celach reprodukcyjnych.

• Art. 3 Karty praw podstawowych Unii Europejskiej zabrania klonowania w celach reprodukcyjnych.

W Polsce Ustawa o leczeniu niepłodności (Dz.U. z 2015 r., poz. 1087, art. 87) stanowi: „Kto tworzy zarodek, którego informacja genetyczna w jądrze komórkowym jest identyczna z informacją genetyczną w jądrze komórkowym innego zarodka, płodu, człowieka, zwłok lub szczątków ludzkich, podlega karze pozbawienia wolności od 6 miesięcy do lat 5”. Zgodnie z tą regulacją klonowanie metodą transferu jądra komórkowego jest przestępstwem.

Klonowanie terapeutyczne (tworzenie embrionów do badań nad chorobami człowieka, m.in. jako źródło komórek macierzystych) jest w Europie regulowane w zróżnicowany sposób. W części państw dopuszcza się je w ograniczonym zakresie (np. w Belgii, Szwecji czy Wielkiej Brytanii), podczas gdy w innych jest ono całkowicie zakazane (np. w Polsce, Niemczech, Włoszech i Francji).

Podsumowanie

• Klonowanie organizmu to proces prowadzący do powstania organizmów identycznych genetycznie z dawcą; takie organizmy nazywamy klonami.

• Klony mogą powstawać naturalnie (np. rozmnażanie wegetatywne roślin, rozmnażanie bezpłciowe, bliźnięta jednojajowe) lub sztucznie z wykorzystaniem technik laboratoryjnych.

• Klonowanie roślin, szczególnie metodą mikrorozmnażania, jest powszechnie stosowane w ogrodnictwie i rolnictwie, ponieważ umożliwia szybkie, masowe i efektywne uzyskiwanie identycznych osobników o pożądanych cechach.

• Klonowanie zwierząt jest znacznie trudniejsze niż roślin i odbywa się głównie dwiema metodami:
  - rozdziału komórek zarodka na wczesnych etapach rozwoju,
  - transferu jąder komórkowych, polegającego na wprowadzeniu jądra komórki somatycznej do komórki jajowej, z której usunięto jej jądro (przykładem jest owca Dolly).

• Metody klonowania zwierząt znajdują zastosowanie w ochronie gatunków, rolnictwie, medycynie i badaniach naukowych.

• Klonowanie zwierząt jest w większości mało wydajne, towarzyszy mu wysoka śmiertelność zarodków oraz liczne problemy zdrowotne klonów, co rodzi poważne wątpliwości etyczne.

• Szczególne kontrowersje budzi klonowanie ludzi – zarówno reprodukcyjne, jak i terapeutyczne – dlatego jest ono prawnie zakazane w wielu krajach, w tym w Polsce.

• Należy pamiętać, że klony uzyskane metodą transferu jąder komórkowych nie są w 100% identyczne z dawcą, m.in. z powodu dziedziczenia mitochondrialnego DNA oraz wpływu czynników środowiskowych

Ćwiczenia utrwalające