Консервация генома как научная и практическая проблема

Консервация геномов призвана дополнить другие способы сохранения генетической информации, хотя, естественно, не заменяет их. Она необходима для сохранения видов, численность которых упала ниже критической, необходимой для их выживания. Она позволяет сохранить генетическое разнообразие редких видов. Она позволяет уменьшить число животных, содержащихся в неволе, не опасаясь инбридинга, а также избежать необходимости разведения животных отдельных видов, пород и линий, не используемых в данное время. Она дает возможность сохранять в неизменном виде в течение десятилетий, использовать и транспортировать наследственный материал особо ценных в генетическом и хозяйственном отношении особей.

Существенная опасность для сохранения генетического стандарта вида связана с развитием генной инженерии - переносом генетического материала путем встраивания в плазмиды. Первые практические применения этого метода - получение трансгенных животных, обладающих ускоренным ростом и увеличенными размерами, что многим представляется перспективным для животноводства, создание гибридов для синтеза гормонов и других физиологически активных соединений. Это создает реальную опасность загрязнения генетического фонда планеты искусственно создаваемым генетическим материалом и возможность его встраивания в геном существующих видов. Пока трудно оценить степень реальной опасности этих процессов для генофонда, но контроль за ними будет невозможен, если не будет сохранен «генетический стандарт» видов «дорекомбинантной эры».

Таким образом, альтернатива отсутствует. Если необходимо сохранить для будущих поколений потенциальную возможность воссоздать живущие ныне виды животных и растений, сохранить генетический потенциал планеты, то надо обеспечить сохранение генетической информации (замороженных клеток). В этом один из аспектов решения проблемы сохранения биологического разнообразия Земли. Вопрос о рентабельности хранения генетического материала при температуре жидкого азота не представляет серьезной проблемы, т.к. производство жидкого азота настолько развито, что его давно уже стали рентабельно применять для хранения пищевых продуктов.

Уместно напомнить, что еще до середины 1970-х годов Международный союз охраны природы, организация сравнительно консервативная, крайне негативно относился к идее разведения редких видов в неволе, как средству их сохранения. Поэтому всеобщее осознание, понимание и признание значимости глубокой заморозки клеток, несущих генетическую информацию, в целях сохранения генетической информации, пришло далеко не сразу.

Создание группы консервации генома и предшествующее включение зоопитомников и зоопарков в сферу интересов МСОП указывало на растущее понимание трудностей сохранения животных в их естественной среде обитания. В ноябре 1980 года в Англии состоялось первое заседание группы консервации генома, на котором была намечена предварительная программа исследований. Авторитет участников группы и обсуждение проблемы среди ведущих биологов мира стимулировали исследовательские работы, связанные генетической информацией.

В проблеме создания генетического банка стоят следующие основные вопросы:

1) определение источников получения генетической информации;

2) разработка методов получения клеток, несущих генетическую информацию, без ущерба для популяции;

3) разработка методов криоконсервации клеток различных представителей растительного и животного мира;

4) разработка способов реализации (извлечения) генетической информации, содержащейся в криоконсервированных клетках;

5) изучение особенностей биологии вида, наиболее существенных для создания размножающейся популяции и последующей репатриации в природу.

Сохранение генетической информации в виде записей последовательностей ДНК в геноме отдельных видов на ЭВМ или других носителях для высокоорганизованных форм до сих пор представляется малореальным, хотя прогресс в технике секвенирования идет очень быстро. Геном высших животных содержит от 100000 до 300000 генов, что соответствует примерно трем миллиардам пар оснований. Современный автоматический секвенатор определяет примерно 20000 пар оснований в день.

Для сохранения генетической информации о популяции желательно иметь, по крайней мере, структуру геномов десятков и сотен особей одного вида. Таким образом, на сегодня реальный подход к решению этой проблемы заключается в использовании в качестве источников информации интактного генома жизнеспособной клетки.

Какие клетки могут быть использованы? Прежде всего - половые, которые самой природой предназначены для передачи генетической информации. В настоящее время для большинства видов домашних животных зрелые половые клетки получают путем гормональной стимуляции. Перспективным представляется применение не собственно половых, а рилизинггормонов, не обладающих видовой специфичностью. Метод гормональной стимуляции широко применяется в практике рыбоводства; в животноводстве — для суперовуляции, т.е. получения большого количества яйцеклеток от ценных производителей. В практике работы по сохранению редких и исчезающих видов животных этот метод с успехом применяется пока при разведении некоторых видов амфибий. В частности, результатом такой работы явилась репатриация почти исчезнувшей сирийской чесночницы в Армении.

Полноценным источником генетической информации являются зародыши. Их извлекают из самок млекопитающих хирургическим или нехирургическим путем; последний метод конечно предпочтительнее, как наносящий меньше вреда самке.

Наконец, вопрос о генетической полноценности соматических клеток до настоящего времени остается в известной степени открытым. Для некоторых видов, у которых на ранних стадиях эмбрионального развития происходит выброс части хромосом (диминуция хроматина), неполноценность таких клеток не вызывает сомнения. Однако для других видов экспериментально установлено, что при пересадке ядер их соматических клеток в яйцеклетку происходит дерепрессия генома. Ряд таких клеток (клетки кожи, крови) может быть получен без ущерба для здоровья животного, поэтому перспектива их применения для сохранения генетической информации представляется очень заманчивой и перспективной.

В природе известны случаи, когда клетки остаются живыми и неизменными в течение многих месяцев или даже лет. Зародыши некоторых рыб, насекомых, млекопитающих проходят в своем развитии состояние диапаузы, которая продолжается в течение нескольких месяцев. Зимнюю спячку млекопитающих тоже можно рассматривать как пример физиологической консервации, так же как и сохранение спермиев в половых путях самки. У летучих мышей спермин сохраняются таким образом несколько месяцев, у насекомых — несколько лет. Однако воспроизвести искусственно условия, обеспечивающие столь длительное сохранение жизнеспособности без глубокого замораживания пока не удалось.

Глубокое замораживание биологических объектов - наиболее перспективный способ консервации геномов. Оно стало возможным благодаря успехам криобиологии — науки, исследующей изменения, происходящие в организмах при замораживании, и механизмы устойчивости организмов к действию низких температур. Благодаря этим исследованиям разработаны режимы замораживания живых объектов и среды, в которых производится замораживание. Необхо­димыми компонентами таких сред являются криопротекторы, связывающие внутриклеточную воду и защищающие структуры клетки от разрушения (глицерин, диметилсульфоксид, этиленгликоль, пропандиол и др.), а также вещества, стабилизирующие клеточные мембраны (липиды, антиоксиданты, сахара).

В настоящее время удается замораживать и хранить в жидком азоте, при температуре минус196° половые клетки, гонады, многие соматические клетки ранних зародышей и ряд органов животных, а также семена, пыльцу и меристему растений. Однако следует иметь в виду, что детали метода приходится разрабатывать специально применительно к каждому виду и объекту.

Замораживание сперматозоидов - одна из наиболее разработанных отраслей криобиологии. Впервые оно было осуществлено в 1949 году для ряда видов сельскохозяйственных животных. В настоящее время метод разработан для млекопитающих (более 80 видов), птиц (более 10 видов), рептилий, амфибий, рыб и некоторых беспозвоночных - иглокожих, моллюсков, ракообразных. Наибольшее практическое применение метод имеет при разведении крупного рогатого скота. Он позволяет наиболее эффективно и продолжительное время использовать выдающихся производителей и делать на этом большие деньги. В большинстве стран существуют банки спермы быков. Несомненно, гораздо легче и надежнее пересылать по почте емкость с наследственным материалом, нежели самого племенного производителя. И гораздо дешевле!

Замораживание яйцеклеток и ооцитов осуществляется менее успешно в связи с их крупными размерами и высоким содержанием воды, что увеличивает возможность повреждения при замораживании. Пока удалось осуществить оплодотворение яйцеклеток после замораживания и оттаивания ооцитов и созревания их in vitro лишь у нескольких видов млекопитающих.

Более перспективно для сохранения женских половых клеток замораживание гонад, в которых достаточно хорошо сохраняются оогонии и мелкие ооциты. Яичники ряда видов млекопитающих и насекомых нормально функционируют после размораживания и имплантации самкам. Удалось также получить зрелые половые клетки из семенников птиц, имплантированных кастрированным самцам после замораживания и оттаивания.

Наиболее перспективным с точки зрения полноты сохранения генетической информации является замораживание зародышей, осуществленное впервые в 1971 году в Англии. К настоящему времени этот метод освоен для млекопитающих (13 видов, в том числе исчезающих), беспозвоночных - морских ежей, моллюсков, насекомых, ракообразных, червей. Метод имеет большое практическое значение, так как позволяет сохранить генотип обоих родителей и значительно облегчить транспортировку ценных видов и линий.

Замораживание соматических клеток стало обычным приемом в практике работы с клеточными культурами. В ряде стран созданы коллекции клеточных культур, хранящихся в глубоко замороженном состоянии.

Замораживание семян растений испытано к настоящему времени более чем на 800 видах и установлено, что можно успешно замораживать семена, которые выдерживают без потерь всхожести высушивание до 6-10% остаточной влажности. Хранение семян в глубокозамороженном состоянии значительно эффективнее хранения их при низких плюсовых или даже умеренных минусовых температурах, как это практикуется в настоящее время в различных хранилищах семян, в том числе в коллекции института растениеводства, созданной академиком Н.И. Вавиловым, и национальных хранилищах семян других стран. Поддержание таких коллекций требует регулярного пересева и неизбежно сопровождается генетическим дрейфом, что исключено при хранении семян в глубокозамороженном состоянии. Для тех растений, семена которых не могут быть сохранены в глубокозамороженном состоянии, или для растений, размножаемых вегетативно, можно криоконсервировать ткани точек роста - меристему. К настоящему времени удалось наблюдать регенерацию растений из замороженных меристем у нескольких видов.

Замораживание пыльцы и пыльников - еще один способ сохранения генофонда растений. После размораживания пыльцу проращивают на питательной среде. Получают гаплоидное растение - гаметофит. Хромосомный набор удваивают обработкой прорастающей пыльцы колхицином.

Рассмотренные примеры показывают, что создание генетических криобанков - вполне реальная задача. Она решает проблему сохранения генофонда на первом (низшем - клеточном уровне) организации жизни и роль ее в системе мер, направленных на сохранение редких видов. Сохранение генетических ресурсов Земли нельзя переоценить. За ним - будущее!

Структура криобанка должна включать следующие компоненты:

- службу, обеспечивающую получение генетического материала без существенного ущерба для существующих популяций;

- систему хранилищ, обеспечивающих надежное сохранение глубокозамороженного материала;

- лаборатории, обеспечивающие подбор режимов криоконсервации и размораживания для каждого вида;

- банки данных, содержащие дескрипторы и детальные сведения, необходимые для воссоздания и репатриации криоконсервированных видов.

Задача создания генетического криобанка крайне актуальна, она должна быть решена как можно более срочно, так как уже началось массовое исчезновение видов, находящихся на критическом уровне численности.

Предполагается, что к концу будущего столетия численность народонаселения Земли, пройдя через пик, стабилизируется, и тогда можно будет вернуть сохраненных животных в естественные, воссозданные или специально-сконструированные биоценозы. В связи с этим прогнозом встает вопрос, возможно ли сохранение глубоко замороженных клеток столь долгое время без утраты жизнеспособности. Поскольку метод глубокого замораживания существует сравнительно недавно, прямых экспериментальных данных для ответа на этот вопрос пока нет. Известно лишь, что от семени быков, хранившегося в течение 25 лет, было получено совершенно нормальное потомство. При температуре минус 196° практически не идут химические реакции; единственный известный на сегодня повреждающий фактор - радиоактивный фон Земли и космические излучения. Расчеты, полученные на основании экстраполяции экспериментальных данных по действию радиации на клетки, показывают, что они могут храниться по крайней мере в течение нескольких сотен лет без накопления летальных мутаций.