Партеногенез: безраздельное материнство

Олег Макаров, журнал «Популярная механика» № 3-2009
(редакция выражает благодарность сайту «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
за помощь в написании статьи)

Большая часть мира живого разделена пополам. По полам. На пол женский и пол мужской. Сделав производство потомства делом двух особей вместо одной, природа совершила шаг вперед, так как смешение генетического материала дает шанс на появление более жизнеспособных организмов. Но есть и обратный путь. Порой в силу разных причин женская особь, давая жизнь потомству, обходится, так сказать, без папы…

Это явление получило название «партеногенез» от двух греческих слов παρθενος – девственница и γενεσις – рождение. Вообще говоря, мы с детских лет знаем, что новые живые организмы вполне могут возникать без всяких там тычинок и пестиков. Кустик клубники, раскидывая по грядке усы, вырастит потомство в виде точно таких же кустиков, воткнутая в землю ветка (модное слово «клон» по-гречески – «черенок») превратится в новое дерево…

Исторически предшествовавшее половому бесполое размножение строится на процессе митоза – простого деления живой клетки. В результате образуются две клетки с одинаковым набором генов – точные копии родительской, сохранившие, образно выражаясь, все ее достоинства и пороки. Изменения от поколения к поколению могут происходить лишь в результате генетических мутаций.  Правда, микробы прекрасно приспосабливаются к меняющимся условиям среды вроде воздействия антибиотиков, но они берут числом и скоростью размножения. И даже у них существует что-то вроде полового процесса – обмена генами между клетками одного, а иногда – и совершенно разных видов. А у подавляющего большинства растений и самых примитивных представителей животного царства (вроде дождевых червей и морских звезд), способных к вегетативному размножению, оно дополняет, но не заменяет половой процесс.

Игра природы

При половом размножении чертеж нового организма, заложенный в его ДНК, создается случайным сочетанием генетического материала двух родителей. Игральные кости брошены на стол. Какая комбинация выйдет в итоге, повышающая или понижающая шансы на выигрыш в борьбе за существование – дело случая, но без постоянной перетасовки генов и отбора их оптимальных комбинаций сложные многоклеточные организмы не смогли бы эволюционировать.

Если продолжить ассоциацию с азартными играми, геном эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов, от дрожжей до человека, составлен из двух «колод» – парных генов (аллелей), расположенных на парных хромосомах. Соматические (телесные, от греч. «сома» – тело) клетки при росте организма и замещении отмерших клеток размножаются тем же простым делением – митозом, при котором набор хромосом передается неизменным от родительской клетки дочерним. Мутации в соматических клетках могут привести к различным (обычно неприятным) последствиям, но в следующее поколение они не передаются.

Половые клетки образуются в результате намного более сложного процесса деления – мейоза, при котором из первичных половых клеток – оогониев (женских) и сперматогониев (мужских) образуются соответственно в яйцеклетки и сперматозоиды. При этом диплоидная (несущая в себе полный набор генетической информации в двух парах хромосом) первичная половая клетка превращается в гаплоидную, с одной хромосомой из каждой пары и, соответственно, одним из каждой пары родительских генов. Во время мейоза парные хромосомы обмениваются участками, и каждой яйцеклетке или сперматозоиду достается случайный набор генов, полученных от бабушки и дедушки будущего младенца (или бабочки, цветочка и любого другого способного к половому размножению организма). Две половые клетки сливаются в одну – зиготу, которая некоторое время спустя начнет делиться митотическим способом, развиваясь в зародыш. Но и неоплодотворенная яйцеклетка может начать делиться – именно это и называется партеногенезом. Следует сразу уточнить: партеногенез является не бесполым размножением, а разновидностью полового (с присущими ему биологическими процессами) однако с участием лишь женских половых клеток.

Целомудренные коловратки

Партеногенез в живой природе не является чем-то исключительным. Коловратки – крошечные (от 40 мкм до 2 мм) обитатели пресноводных водоемов, выделенные в систематике в отдельный тип царства «Животные» – уже 40 миллионов лет представлены только женскими особями, производящими потомство исключительно путем партеногенеза. При всей прогрессивности полового размножения вариант с происхождением потомства от одной особи имеет свои плюсы. Например, когда среда благоприятствует быстрому размножению вида и вокруг достаточно пищи для многочисленного потомства, партеногенез дает выигрыш в скорости заселения этой среды. В этом случае можно пожертвовать генетическим разнообразием (потомство несет в себе лишь хромосомы матери), зато мобилизовать на размножение весь потенциал вида. Когда условия изменятся в неблагоприятную сторону, естественный отбор отсеет менее приспособленные организмы. Но коловратки – это скорее исключение из правил. У многих видов растений, членистоногих, земноводных, рептилий и даже птиц существует не облигатная (обязательная) форма партеногенеза, а факультативная – при подходящих обстоятельствах. Например, у некоторых видов тлей переход к партеногенезу и обратно имеет характер сезонных колебаний.

Затосковавшая акула

Удивительно, однако, что порой к партеногенезу прибегают виды живых организмов, которые раньше, что называется, не были в этом замечены. В последние годы описаны несколько поразительных случаев партеногенеза у акул, у которых до этого партеногенеза никогда не наблюдали. В 2001 году в зоопарке Henry Doorly в штате Небраска (США) малоголовая рыба-молот (малоголовая – это видовое название, а не дразнилка) произвела на свет детеныша после длительного пребывания в резервуаре с водой, где не было самцов. Это «непорочное зачатие» поначалу поставило ученых в тупик. В числе прочих рассматривался вариант с длительным сохранением спермы от давнего полового контакта – такое явление «ложного партеногенеза» порой наблюдается в природе. Расставить точки над «i» помог несчастный случай: выросший детеныш погиб от укола ската. Результат ДНК-анализа однозначно показал, что в клетках детеныша не было никакого генетического материала, кроме материнского. Некая программа, спрятанная в ДНК акулы, которая в естественных условиях размножается исключительно через оплодотворение, включила резервный механизм сохранения вида – партеногенез. Таким образом, причиной партеногенетического размножения может стать и отсутствие самцов, например, на границе ареала вида.

Похожий случай произошел в 2002 году в океанариуме г. Детройт (США), а затем в Венгрии. В 2006 году в лондонском зоопарке партеногенетический детеныш вылупился из яйца самки коммодского варана. На воле коммодские вараны также не были замечены в склонности к партеногенезу.

Однако можно ли сказать, что эти детеныши были клонами, точной генетической копией материнских организмов? Нет, в данном случае это не так.

Дело в том, что биологически партеногенез осуществляется в основном двумя путями. Один из них заключается в том, что первичная женская половая клетка, не проходя стадию мейоза, начинает делиться митотическим путем, создавая собственную копию. В случае же с высокоразвитыми животными полученная в ходе мейоза яйцеклетка, имеющая, как мы помним, гаплоидный – половинный – набор хромосом, сливается с другой яйцеклеткой, тоже с половинным, но по-другому скомбинированным набором «бабушкиных» и «дедушкиных» хромосом. В обоих случаях из-за перетасовки аллелей генов, происходящей при образовании гаплоидной яйцеклетки, генотип и определяемые им свойства родившегося с помощью партеногенеза организма будут в той или иной степени отличаться от материнского.

И у акул, и у варана партеногенетические детеныши имели женский пол, что естественно для живых организмов, у которых мужской пол передается через Y-хромосому, находящуюся только в мужских половых клетках. У некоторых видов живых существ наследование пола осуществляется иначе: например, у одной из пород индеек многие яйца развиваются партеногенетически, и из них появляются только самцы. У пчел и муравьев партеногенез используется для регулирования соотношения полов: из оплодотворенных яиц развиваются самки, а из неоплодотворенных – самцы. А некоторые виды костистых рыб «соблазняют» самцов другого вида. Сперматозоид при этом не проникает в яйцеклетку, а только стимулирует удвоение ее хромосом и деление.

Соперники бога

В рассуждениях о партеногенезе неизбежно всплывает тема одного из главных догматов христианства – непорочного зачатия Девы Марии. Не хранят ли евангельские предания свидетельство о партеногенетическом рождении человека? Но в этом случае младенец должен был бы родиться девочкой из-за отсутствия в яйцеклетке Y-хромосом, а участие в непорочном зачатии Св. Духа в компетенцию науки не входит. Однако если вынести за скобки вмешательство сверхъестественных сил, то не только человек, но и любое другое млекопитающее к «непорочному зачатию» неспособны. На пути партеногенеза человека природой воздвигнут мощный заслон, имя которому – геномный импринтинг.

Смысл этого мудреного термина заключается в том, что для развивающегося зародыша млекопитающего, образно говоря, небезразлично, от кого достался тот или иной ген – от мамы или от папы. Ген, отвечающий за развитие какого-нибудь жизненного важного органа, просто не будет проявлять себя, если он имеет неправильный половой маркер. Именно поэтому, даже если яйцеклетка млекопитающего начнет делиться, скажем, под действием неких внешних раздражителей, нет никаких шансов на то, что в результате на свет появится жизнеспособный организм. Геномный импринтинг заблокирует развитие зародыша на ранних стадиях. Если, конечно, в дело не вмешается генная инженерия.

Добиться первого партеногенетического рождения млекопитающих удалось в 2004 году ученым из Токийского сельскохозяйственного университета. Японцы применили разработанную ими технологию гаплоидизации, то есть искусственного (без мейоза) превращения соматических клеток самки мыши в гаплоидные (подобные то ли мужским, то ли женским гаметам) клетки. Затем в лабораторных условиях удалось добиться слияния этих клеток, «обманув» при помощи особых технологий геномный импринтинг. И, наконец, уже в материнском организме, из клетки начал развиваться зародыш.

О том, насколько тяжело далось генетикам вмешательство в святая святых живой природы, говорят цифры. Около 500 искусственно гаплоидизированных клеток дали возможность вызвать всего 24 беременности, из которых только две привели к родам. Развиться в полноценный организм удалось лишь одному детенышу. Впрочем, для начала результат не так уж плох: у овечки Долли на стадии оплодотворенной яйцеклетки было почти 300 сестёр.

Просто фантастика

Клонирование приматов из-за особенностей развития их оплодотворенных яйцеклеток во время самых первых делений технически всё еще невозможно. И ни один серьезный ученый не ставил перед собой задачу репродуктивного клонирования человека. Многочисленные попытки научиться выращивать человеческие эмбрионы методом переноса клеточного ядра – того же самого, с помощью которого родилась Долли – нужны для терапевтического клонирования.

Аферист-первопроходец
С терапевтическим клонированием связан один из крупнейших за последние годы научных скандалов. В феврале 2004 г. журнал Science опубликовал статью одного из ведущих специалистов в области клонирования, корейского ученого У-Сук Хвана и его коллег, о сенсационном результате: впервые в мире получен клонированный человеческий эмбрион, из которого выделена жизнеспособная культура стволовых клеток. В мае 2005 в том же Science появилась вторая сенсация – о создании в лаборатории Хвана уже одиннадцати линий человеческих эмбриональных стволовых клеток, также полученных методом переноса ядра соматической клетки. А уже в конце года среди ученых и журналистов поползли сначала слухи, потом – достаточно обоснованные подозрения… В конце концов Хван признался в том, что все эти результаты были фальсифицированы, ушел со всех официальных постов, и в телевизионном выступлении принес извинения научной общественности и корейскому народу. Правда, под его руководством продолжаются работы по клонированию животных – но в частных компаниях.

При этом, как и при получении культур эмбриональных стволовых клеток из «отходов» экстракорпорального оплодотворения – оплодотворенных про запас яйцеклеток, эмбрион из яйцеклетки с пересаженным ядром донора предполагается разрушать на ранней стадии. Такие клетки не будут отторгаться при клеточной терапии и пересадке донору ядра изготовленных из них тканей и даже целых органов. Но и работы с обычными клетками человеческих эмбрионов, и любое, даже терапевтическое, клонирование человеческих клеток вызывают сопротивление со стороны религиозных фундаменталистов и других блюстителей морали. Это – одна из причин, по которым некоторые специалисты пытались пойти обходными путями, например, получить химерные эмбрионы из ядра соматической клетки человека и яйцеклетки коровы или кролика. Все эти окольные тропы привели в тупики, кроме одной: в июле 2007 г. группе ученых из московского Центра акушерства, гинекологии и перинатологии РАМН и американской корпорации Lifeline Cell Technology удалось вырастить 6 линий полипотентных (способных, как и эмбриональные, превращаться в любые ткани организма) стволовых клеток из неоплодотворенных человеческих яйцеклеток. Достижение впечатляющее, хотя таким методом можно получать культуры терапевтических клеток только для женщин детородного возраста. И, похоже, это направление развиваться не будет: уже в ноябре того же 2007 г. две группы ученых – из Висконсинского и Киотского университета – одновременно объявили о разработке методов получения искусственно индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC) из фибробластов, обычных клеток кожи. Для того, чтобы взрослые клетки «впали в детство», в них пришлось с помощью вирусного носителя ввести работающие копии четырех генов, активных во время эмбрионального развития и заблокированных во взрослом организме. Новую методику уже опробовали во многих лабораториях, а в феврале 2009 человеческие iPSC впервые были использованы для восстановления поврежденного спинного мозга – пока у мышей, но можно надеяться, что через несколько лет дело дойдет до первых клинических исследований на людях.

Возможно, именно эти эксперименты поставят жирную точку на биоэтических спорах, оставив тему партеногенеза авторам фантастических романов, предвещающих появление мира без мужчин. К счастью, пока не похоже, чтобы женщины к такому миру сильно стремились.

Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
11.03.2009