Clonarea - replica / copia genetică

Clonarea reprezinta modalitatea prin care se crează o replică identică din punct de vedere genetic a unei celule, țesut sau organism. Rezultatul procesului de clonare este clona, aceasta având un material genetic (genom) identic cu celula, țesutul sau organsimul după care a fost copiată. ADN-ul celor două copii este identic până la ultima nucleotidă, fără să existe absolut nicio diferență structurală sau funcțională înre genele lor.

Oaia Dolly

Clonarea a devenit un fenomen extrem de mediatizat în urma apariției lui Dolly (5 iulie 1996 - 14 februarie 2003), oaia care a fost primul mamifer clonat prin tehnica transferului nuclear, proces în care s-a utilizat ADN-ului unei celule somatice adulte de oaie. Clonarea a fost efectuată în Scoția, lângă Edinburgh, sub îndrumarea cercetătorilor Ian Wilmut și Keith Campbell. În urma acestui eveniment au apărut numeroase reacții de ordin etic și religios referitoare la pericolul pe care clonarea umană îl reprezintă în ce privește conservarea materialului genetic, biodiversitatea și supraviețuirea speciei umane așa cum o cunoaștem noi astăzi. Pentru procesul de clonare în urma căruia a apărut Dolly, s-a utilizat o tehnică numită Cell Nuclear Transfer. Speranța de viață normală a unei oi este de 12 ani, însă oamenii de știință afirmă că faptul că Dolly a trăit doar 6 ani nu se datorează clonării. Dolly a fost eutanasiată din cauza faptului că suferea de o boală pulmonară cronică progresivă și de artrită. Boala pulmonară de care a suferit Dolly se cheamă Jaagsiekte și este cauzată de un retrovirus. Această afecțiune este frecvent întâlnită în rândul oilor care sunt ținute timp îndelungat în spații închise și acoperite, iar din motive de securitate Dolly a fost ținută într-un astfel de mediu din motive de securitate.

În urma clonării lui Dolly s-au mai reușit clonări de mamifere precum cai, boi și diferite specii de oi, însă rata de success a procedurilor a fost foarte scăzută. Oaia Dolly însăși a apărut în urma unui proces în care s-au realizat 277 de încercări nereușite de clonare. Ian Wilmut a afirmat că tehnica Cell Nuclear Transfer nu ar putea fi folosită niciodată pentru clonarea umană, datorită numărului foarte mare de încercări nereușite de clonare a diferitelor mamifere folosind această tehnică și mai ales din cauza fapului că ADN-ul uman este extreme de complex.

Până acum a fost folosită clonarea pentru crearea unui exemplar dintr-o specie care a fost declarată dispărută în anul 2000. Este vorba despre Capra Ibex din Pirinei, o specie de capră de munte, primul și singurul exemplar clonat al acestei specii fiind creat în Spania, la Zaragoza. Supraviețuirea acestei clone a fost însă scurtă, la puțin timp după naștere constatându-se decesul ca urmare a unor anomalii pulmonare de ordin fiziologic și morfologic.

Tehnici de clonare

Clonarea este în esență o reproducere asexuată, care nu implică fertilizarea ovulului. Tehnicile prin care se produce o clona sunt în număr de două:
1. Clonarea embrionară, este un proces normal, foarte frecvent în natură, aceasta fiind modalitatea prin care rezultă gemenii identici, monovitelini. În general rezultă gemeni monozigoți, dar pot apărea și tripleți sau cvadrupleți.
2. Transferul nuclear (Cell Nuclear Transfer - CNT) este un proces artificial, această tehnică fiind folosită și în cazul clonei Dolly.

Clonele rezultate prin clonare embrionară au fost dintoteauna în jurul nostru, deoarece acesta este procesul fiziologic prin care se produc gemenii indentici monozigoți. Prima clonare atificială reușită a fost însă nașterea lui Dolly.

Clonarea embrionară

Gemenii identici rezultă prin separarea embrionului aflat în prima fază de dezvoltare intrauterină în două copii diferite cu genom identic. Embrionul din care rezultă cele două copii celulare a rezultat în urma fecundării unui ovul de către un spermatozoid. După ce ovulul este fecundat, din cauze necunoscute embionul se împarte în două, iar în urma diviziunii celulelor ce compun cele două copii ale embrionului rezultă doi gemeni identici sau monozigoți. Ei împart placenta dar cel mai frecvent se dezvoltă fiecare în sacul lui vitelin propriu. Gemenii dizigoți apar atunci când la ovulație nu este eliberat un singur ovul, ci două. Dacă doar unul singur este fertilizat apare o sarcină cu făt unic, însă dacă ambele ovule sunt fertilizate, fiecare de către un spermatozoid diferit va fi o sarcină cu gemeni dizigoți sau bivitelini care vor avea fiecare placenta sa și sac vitelin propriu.

Termenul de clonare este valabil doar în primul caz, al gemenilor monovitelini, deoarece dintr-o singură celulă ou rezultă două ființe identice ca material genetic, având același ADN și același sex. Din punct de vedere fenotipic, diferențele sunt minore.

Rata nașterilor gemelare s-a dublat în urma apariției tratamentelor pentru infertilitate și fertilizării in vitro. Tratamentele împotriva infertilității stimulează eliberarea mai multor ovule de către ovar, în timp ce în fertilizarea in vitro se transferă în uterul mamei mai mulți embrioni fecundați în laborator pentru a crește posibilitatea ca măcar unul dintre ei să realizeze procesul de nidație (fixarea embrionului de peretele uterin) și să se dezvolte ulterior ajungând la stadiul de făt.

Transferul nuclear

Este o metodă de clonare artificială care a fost folosită atât în cazul clonei Dolly cât și în cazul celorlaltor mamifere clonate în laborator. Pentru această tehnică sunt necesare două celule: o celulă donator și o celulă gazdă care este în general un ovocit.

Nucleul celulei donatoare este introdus într-un ovul, fie prin injectare fie prin fuziune celulară, apoi este indusă dezvoltarea ovocitului prin stimulare electrică sau expunere la anumite substanțe chimice. Nucleul ovulului care are o garnitură haploidă de cromozomi, este înlocuit cu nucleul unei celule somatice care are o garnitură diploidă de cromozmomi, garnitură care aparține însă individului donator. Se poate folosi nucleul oricărei celule somatice a donatorului care are o garnitură de cromozomi de la mamă și alta de la tată. Odată ce a primit noul nucleu, ovocitul va începe să se dezvolte normal și va rezulta un embrion care poate fi implantat în uterul unei mame purtător și își poate continua dezvoltarea normală trecând prin fazele obișnuite ale constituirii unui nou organism. În clonare nu mai este necesară partea paternă deoarece este un proces asexuat, nucleul cu garnitură haploidă de cromozomi al ovocitului nefecundat de spermatozoid fiind înlocuit cu nucleul unei celule somatice care are deja garnitură diploidă de cromozomi. Rata de de eșec a procesului în această etapă este una extrem de mare.

Este complet greșit să se creadă că individul care donează materialul pentru clonare este părintele genetic al individului clonat. Dimpotrivă, clona este copia fidelă a individului clonat sau geamănul acestuia, iar părinții donatorului sunt și părinții clonei. Donatorul și clona sunt două copii sau doi „gemeni” care provin din aceiași părinți, clona fiind copilul genetic al părinților individului donator.

Clonarea reproductivă

Clonarea reproductivă este modalitatea prin care a fost creată și Dolly și presupune producerea de copii ale unui individ existent prin tehnica transferului nuclear, cu transferul nucleului unei celule somatice într-o celulă ou. În afară de Dolly s-au mai clonat șoareci, vaci, oi, maimuțe Rhesus și capre. S-a încercat și clonarea umană, care presupune crearea copiei genetice a unui om care există deja sau a existat în trecut dar este posibil accesul la ADN-ul său. Clonarea artificială a unui om este un proces care sfidează legile naturale ale reproducerii, copia fiind produsă asexuat, nu mai este necesar contactul sexual între cele două sexe, partea paternă nu mai participă în reproducere, iar ca celulă donator de material genetic se poate utiliza orice celulă somatică din corpul uman, cu garnitură diploidă de cromozomi.

Pentru clonarea umană este nevoie de un ovul care nu a intrat încă în contact cu spermatozoidul (deci nu a fost fecundat), al cărui nucleu este excizat și înlocuit cu nucleul preluat de la o celulă somatică a individului donator. Se poate folosi orice celulă somatică din corpul uman care conține ADN-ul individului respectiv dispus pe o garnitură diploidă de cromozomi, cu excepția ovulului. Nucleul celulei somatice este transferat ovulului având loc fuzionarea înr-un mediu de laborator supus stimulării electrice. Ovulul este astfel fertilizat similar fertilizării naturale produse la contactul dintre ovul și spermatozoid. În condiții speciale de laborator, odată cu diviziunea ovulului fertilizat cu nucleul celulei somatice va lua naștere zigotul sau celula ou. Zigotul va fi implantat apoi în uterul unei mame purtătoare sau surogat, unde se va fixa de peretele uterin, iar prin diviziuni repetate va rezulta embrionul care va parcurge fazele normale ale dezvoltării ajungând odată cu avansarea sarcinii la stadiul de făt. Clona care se va naște având același fenotip cu al individului donator al celulei somatice (același aspect fizic, aceleași trăsături comportamentale, același nivel de inteligență etc.), ea fiind copia genetică a individului donator.

Au fost înregistrate numeroase nereușite în ce privește clonarea reproductivă, întrucât doar câteva specii de mamifere au putut fi clonate folosind tehnica transferului nuclear, majoritatea având o viabilitate extrem de redusă. Sunt necesare numeroase încercări, din 100 de experimente s-a estimat că doar 1 sau 2 vor avea ca rezultat produși de concepție viabili care vor supraviețui sarcinii purtate de mama surogat. Nereușitele se datorează în principal dificultății tehnicii, iar viabilitatea scăzută a embrionului numeroaselor mutații și erori genetice produse la extracția nucleului din celula donator și introducerea sa în celula gazdă, care apoi se va divide, în timpul acestor diviziuni putându-se produce numeroase mutații care pot conduce la apoptoza celulelor implicate.

Potențiale aplicații ale clonării

Clonarea terapeutică este un tip de clonare care a fost mult mai puțin supusă disputelor de ordin etic și religios deoarece cu ajutorul ei se poate realiza clonarea de organe sau țesuturi cu scopul de a vindeca anumite boli sau afecțiuni. Clonarea terapeutică poate avea următoarele aplicații:

1. Terapia celulară

Celulele stem sau șușă sunt celule nediferențiate, care în urma proceselor de diviziune, diferențiere celulară și maturare pot da naștere celulelor specializate care îndeplinesc o funcție bine stabilită în organism și care intră în alcătuirea organelor și țesuturilor. Celulele stem embrionare sunt celulele stem din care se formează embrionul rezultat în urma diviziunilor succesive ale celulei ou, ele putându-se diferenția în toate tipurile de celule ale organismului uman exceptând celulele placentei și ale cordonului ombilical care sunt extra-embrionare. Prin urmare celulele stem se numesc pluripotente datorită faptului că se pot transforma în orice tip de celulă a organismului.

Se prespupune că prin utilizarea acestor celule stem embrionare pluripotente se pot dezvolta țesuturi care vor înlocui țesuturile vătămate ale unui organism bolnav. Utilizând tehnica transferului nuclear, în laborator se va crea un zigot folosind un ovul și nucleul unei celule somatice prelevate de la persoana care necesită transplantul de țesut. Zigotul va crește într-o cultură de laborator până la stadiul de blastocist, stadiu în care el este format numai din celule stem embrionare pluripotente. Ele pot fi recoltate ușor și cultivate în medii speciale de cultură în laborator (in vitro) și au capacitate foarte mare de replicare putând fi utilizate pentru transplant deoarece ele se pot diferenția în orice celulă sau țesut al organismului care a donat nucleul celular somatic folosit în procesul de clonare.

Costurile implementării în masă a acestei terapii sunt enorme, fiind nevoie de un aport permanent de celule stem umane clonate pentru a acoperi cazurile existente. S-a propus crearea unor bănci de celule stem, actualmente ele se recoltează din cordonul ombilical la naștere și sunt depozitate în condiții speciale de cultură, putând fi utilizate atunci când este nevoie, de către individul de la care au fost recoltate, deoarece compatibilitatea este foarte mare. Clonarea celulelor stem se află însă în fază experimentală.

Dacă această terapie ar fi implementată, beneficiile ar fi extraordinare deoarece numeroase boli degenerative precum Alzheimer, Parkinson, scleroza multiplă, distrofia musculară dar și boli precum cancerul, diabetul, traumatismele măduvei spinării și osteoporoza ar putea fi tratate cu celule stem. Dacă tehnica transferului nuclear ar putea fi utilizată, numeroase probleme de compatibilitate a grefei cu gazda ar putea fi rezolvate, nu ar mai exista fenomenul de respingere imunologică și nu ar mai fi nevoie de tratament cu imunosupresoare în cazul bolnavilor transplantați, deoarece sistemul imun al pacientului care primește celulele stem le recunoaște ca aparținând organismului deoarece ADN-ul lor este identic cu cel al celulei somatice din care au fost create, celula somatică aparținând pacientului transplantat.

2. Transplantul de organe

Prin tehnica transferului nuclear ar putea fi de asemenea posibil să se creeze clone de celule stem care prin diviziuni multiple să „fabrice” organul necesar pentru transplant. Această teorie este doar o speculație deoarece nu s-a reușit încă creșterea unui organ complet și funcțional în laborator dar se crede că datorită capacității pluripotente de diferențiere a celulelor stem embrionare, acestea pot produce prin clonare un organ compatibil cu pacientul donator al celulei stem. Astfel, ele se pot diferenția în laborator și se pot specializa producând diverse tipuri de celule și țesuturi care se vor ansambla apoi într-un organ nou care va fi recunoscut de către sistemul imun al gazdei.

3. Tratamentul unor boli mitocondriale

Mitocondria este denumită și „uzina” celulei deoarece în cadrul ei se produc procesele de fosforilare oxidativă și ciclul Krebs, de bază pentru respirația celulară și pentru supraviețuirea celulei. ADN-ul mitocondrial se transmite doar pe cale maternă, iar mutațiile genetice din cadrul acestui ADN duc la maladii mitocondriale precum Miopatia Optică Leber. După fecundație, embrionul va moșteni ADN-ul mitocondrial doar de la ovocit. Este posibil ca prin transfer nuclear să se înlocuiască ADN-ul mitocondrial matern al ovocitului cu ADN de la un donator sănătos. Astfel se prelevează un ovocit de la o donatoare căruia i se excizează nucleul, rămânând pe loc doar citoplasma ovocitului donator, care conține ADN mitocondrial. Apoi se transferă în ovocitul donat care a rămas fără nucleu nucleul de la ovocitul mamei (nu există ADN mitocondrial în nucleu ci doar în citoplasmă) astfel vom avea un nou ovocit cu nucleul de la mamă și cu o citoplasmă cu ADN mitocondrial normal de la donator, care va fi fertilizat în laborator cu un spermatozoid de la tată. Prin urmare noul embrion va avea ADN-ul nuclear responsabil de trăsăturile fenotipice de la mamă și de la tată și un ADN mitocondrial de la donatoarea sănătoasă. În acest proces clonarea se face doar în ce privește ADN-ul mitocondrial, zigotul care se dezvoltă moștenind trăsături atât de la mamă cât și de la tată deoarece ADN-ul său nuclear este unic și rezultă în urma procesului natural de fecundație.

4. Crearea de embrioni pentru cercetare

Aici există numeroase probleme de ordin etic și religios. Se crede că dacă s-ar putea crește in vitro embrioni dezvoltați prin tehnica transferului nuclear am putea înțelege mult mai bine modul în care se dezvoltă anumite maladii precum cancerul și modul în care celulele se diferențiază și se specializează. De asemenea acești embrioni ar putea fi viabili și pentru fertilizare in vitro. Creșterea embrionului în stadiul de morulă este considerată similară cu modul în care se divid celulele canceroase. Dacă s-ar putea crea mai mulți embrioni care să ajungă în laborator la acest stadiu s-ar putea încerca să se găsească o terapie prin care aceste celule pot fi oprite din diviziune.

Acest domeniu al clonării terapeutice se află încă în fază incipientă, necunoscându-se implicațiile pe termen lung al transplantului de țesuturi sau organe dezvoltate în laborator pe baza celulelor stem. Nu se știe dacă ele o dată transplantate în organismul gazdă se vor putea dezvolta și integra normal printre celelalte celule și cum vor reacționa în cazul afectării organului sau țesutului transplantat de către factori din mediul extern sau anumite afecțiuni. De asemena celulele stem sunt cultivate în laborator pe medii de cultură derivate din țesuturi animale și nu se cunosc implicațiile și pericolele pe care le implică acest fapt în cazul transplantării celulelor către o gazdă umană. Însă beneficiile terapiei cu celule stem rezultate prin tehnica transferului nuclear pot fi enorme și faptul că anumite boli terminale își pot găsi tratamentul nu poate fi negat. Însă această terapie nu va putea fi implementată până nu va exista o cunoaștere corectă și completă a riscurilor și beneficiilor pe care presupune.

Avantajele clonării

În cazul clonării reproductive există numeroase argumente pro și contra. Unul dintre argumentele pro ar fi faptul că aceasta ar fi o soluție pentru persoanele la care tratamentele de fertilizare precum și fertilizarea in vitro s-au dovedit ineficiente. Astfel o familie poate avea copii înrudiți genetic cu părinții, chiar dacă acești copii sunt de fapt copii ale indivizilor care sunt considerați părinți. De asemenea, în cadrul familiilor în care există o boală cu transmitere genetică și al căror urmași prezintă un risc foarte mare de a avea boala, există posibilitatea ca prin clonare părinții să aibă copii sănătoși. Un alt argument ar fi acela că am putea conserva prin clonare anumite caracteristici speciale ale speciei umane sau acela că prin clonare, s-ar putea recrea anumiți oameni marcanți pentru istoria umanității și li s-ar putea studia structura genetică pentru a înțelege cât de important este materialul genetic pentru dezvoltarea trăsăturilor precum inteligența, cogniția și comportamentul.

Avantajele clonării terapeutice sunt numeroase incluzând: posibilitatea de transplant de organe și țesuturi compatibile cu gazda, dezvoltarea unor tratamente pentru boli neurodegenerative, transplantul de măduvă osoasă în cazul leucemiei, prepararea vaccinurilor etc.

De asemenea clonarea ar putea crea posibilitatea creării unor exemplare din specii dispărute și reintroducerea lor în ecosistem precum și conservarea unor specii pe cale de dispariție. Ne-ar putea ajuta și să înțelegem de ce celulele nervoase sunt singurele care nu se pot divide, iar dacă s-ar reuși clonarea celulelor nervoase și reintegrarea lor în organism multiple boli neurodegenerative inclusiv paralizia post accident vascular cerebral ar putea fi vindecabile.

Dezavantajele clonării

Clonarea reproductivă ar putea favoriza folosirea ființelor umane clonate în scopuri abuzive, stagnarea genomului și reducerea posibilităților de diversificare a „pool-ului genetic” al unei populații, Din punct de vedere religios s-a afirmat că este extrem de riscant „jocul de-a Dumnezeu”, de asemena clonarea are multe aspecte periculoase în ceea ce privește folosirea ei pentru eugenie și crearea unei populații umane de elită care în final va fi sortită extincției datorită lipsei de selectivitate a genelor deoarece la un momentdat toți indivizii vor avea material genetic similar. S-a exprimat de asemena și îngrijorarea că un copil clonat va fi geamănul mai mic al donatorului și va fi supus constrângerilor și discriminărilor de ordin social.

Există atitudini diferite de la țară la țară în ce privește clonarea. În China, Anglia și Australia clonarea reproductivă este interzisă cu desăvârșire însă sunt permise cercetările în ce privește clonarea terapeutică. Alte țări care interzic clonarea reproductivă și o permit pe cea terapeutică sunt: SUA (în California și New Jersey), Japonia, Suedia, Singapore, Coreea de Sud și Canada. Majoritatea țărilor au o legislație incertă în ceea ce privește clonarea și altele nu au deloc legislație în acest sens. În România clonarea umană este interzisă cu desăvârșire, creșterea și dezvoltarea embrionilor umani fiind permisă doar în cazul fertilizării in vitro.

Mulți oameni de știință de la universități importante din lume, precum Harvard, Cambridge și Princeton sunt împotriva clonării deoarece consideră că acest procedeu ar putea fi utilizat în mod abuziv dar conarea terapeutică este privită cu interes deoarece ne-ar putea ajuta să înțelegem numeroase aspecte legate de caracteristicile genomului uman și modul în care se dezvoltă bolile genetice.

Importanța clonării

Clonarea este foarte importantă din punct de vedere al dezvoltării terapiilor și studierii modului în care celulele se comportă în diviziune. Clonarea umană este considerată o modalitate de control și tratament al bolilor cu folosirea embrionilor drept modele experimentale. În cazul bolii neoplazice, studierea modului în care celulele se reproduc și se multiplică este actualmente foarte greu de realizat, însă utilizând tehnica transferului nuclear se pot crea embrioni și se poate studia modul în care aceste celule se reproduc și interacționează între ele precum și capacitățile lor de dezvoltare în cadrul unei culturi și posibilitatea de invazie și metastazare.