Семеро вымерших: восстановлению подлежит

Обратное скрещивание — восстановление фенотипических черт вымершего вида путем получения гибридов его ныне живущих потомков, обладающих отдельными чертами предка. По сути, это селекционное выведение породы животного, внешне похожего на вымерший вид. Естественно, обратное скрещивание применимо только в том случае, если в нашем распоряжении есть подходящие виды-потомки.

Клонирование — получение точной генетической копии исчезнувшего животного. В основе этого подхода лежит пересадка ядра соматической клетки вымершего организма в яйцеклетку или зиготу ныне живущего близкого вида, у которого собственное ядро удалено. Клонированы многие современные виды животных. Однако для этого подхода необходимы живые клетки или как минимум целые ядра. Он выглядит реальным применительно к видам, которые находятся на грани исчезновения (единичные особи еще живы), или для вымерших совсем недавно, от которых остались замороженные образцы тканей.

Редактирование генома близкого вида — перспективное направление, сочетающее секвенирование ДНК вымерших видов и методы генетического редактирования. Последние достижения в области палеогеномики позволяют секвенировать геномы из ископаемых останков возрастом до 1,2 миллиона лет. На данный момент полностью или частично отсеквенированы геномы большого числа вымерших видов, в том числе и неандертальца. Получив геном вымершего вида, его сравнивают с геномом ближайшего ныне живущего родственника для выявления основных генетических различий, влияющих на фенотип. Изменения в ключевые участки генома предполагается вносить с помощью технологий редактирования генома, которые в последнее время активно развиваются. В теории, клетки, несущие гены вымершего вида, могут быть использованы для клонирования.

Ранние попытки. Тур.

Обратное скрещивание успешно применили для возрождения европейского дикого тура, Bos primigenius. Эти первобытные травоядные животные, прародители всех домашних коров и быков, вымерли около 2000 лет назад в Азии и Северной Африке, однако небольшая популяция существовала в Центральной Европе до XVII века. Они отличались массивным туловищем, ростом до 1,8 метров в холке, толстыми изогнутыми рогами и агрессивным поведением.

Разрозненные черты этих первобытных быков можно обнаружить у разных пород современного скота, и мысль сконцентрировать их в одной породе с помощью селекции возникала еще в начале XIX века. Первые попытки были предприняты в 1920-х, когда братья Лутц и Хайнц Хек, которые были директорами немецких зоопарков, начали скрещивать редкие породы рогатого скота из разных частей Европы. Начинания братьев Хек по селекционному выведению быков оказались созвучны идеям арийской евгеники и поддерживались нацистcкой партией, в частности Германом Герингом, который был близким другом Лутца Хека. В начале 1930-х братья Хеки получили массивных быков с длинными рогами, которых мы сейчас знаем под именем быков Хека. Они были выпущены на волю в Беловежской пуще (на тот момент частные охотничьи угодья Германа Геринга), однако погибли во время Второй мировой войны. Сейчас быков Хека до сих пор можно встретить в некоторых зоопарках и заповедниках.

Однако у быков Хека отсутствовали некоторые морфологические особенности, характерные для вымерших туров, — длинные тонкие ноги и вытянутая морда.

Селекционные работы по выведению быков, наиболее близких по морфологическим признакам к диким турам, возобновились в начале XXI века. В настоящее время существуют два голландских проекта Taurus Foundation и Uruz, целью которых является выведение породы быков, неотличимых по морфологии от туров, и реинтеграция их в дикую природу. Селекционерам удалось выбрать шесть пород коров, обладающих наиболее характерными признаками тура, среди которых длинноногая Мареммана, массивные Саягуэса и Лимия, толсторогая Маронеза. Теперь заводчики надеются, что расшифрованный геном 6750-летнего тура, опубликованный в 2015 году в журнале Genome Biology, поможет в определении генетических маркеров, что ускорит работу по «воскрешению» дикого тура.

Самая успешная попытка по воскрешению. Пиренейский козерог.

Эксперимент по клонированию вымершего испанского козерога показал, что воскрешение исчезнувших видов больше не фантастика, а реальность.

Пиренейский козерог, Capra pyrenaica pyrenaica — подвид испанского козерога, вымерший в самом конце 20 века в результате интенсивной охоты. Последняя самка погибла в зоопарке в 2000 году. Однако незадолго до гибели в 1999 году образцы кожи последней самки были собраны и заморожены, благодаря чему международной команде ученых во главе с профессором Фолком удалось клонировать Capra pyrenaica pyrenaica. Фолк с коллегами делали несколько попыток по воскрешению пиренейского козерога. Первая попытка была предпринята в 2003 году, но две беременные самки не дали потомства. Вторая попытка оказалась более удачной. Эмбрионы для переноса в матку реципиента были получены в результате слияния фибробластов пиренейского козерога с энуклеированными ооцитами домашней козы. Успешная имплантация и беременность развивались лишь при пересадке эмбрионов на стадии 3–6 клеток. В результате из 7 беременных самок лишь одна беременность закончилась родами. Новорожденный прожил всего несколько минут, а затем умер в результате острой респираторной недостаточности. Тем не менее, микросателлитный анализ ядерной ДНК и анализ митохондриальной ДНК подтвердили, что новорожденный был настоящим клонированным потомком последнего пиренейского козерога.

Работа получила широкий резонанс, но дальнейших попыток по воскрешению пиренейского козерога не последовало. Однако этот эксперимент оказался первым реальным фактом воскрешения вымершего животного, что вдохновило многих исследователей.

Воскрешение самого необычного животного. Заботливая лягушка

В 2013 году ученым из Австралии удалось заставить делиться яйцеклетку лягушки, вымершей в 1983 году. Речь идет о заботливой лягушке рода Rheobatrachus, эндемичной для юго-востока Австралии. Лягушки из этого рода имеют уникальную для амфибий особенность — они вынашивают икру в желудке. Самки заглатывают оплодотворенную икру и вынашивают ее вплоть до того момента, пока головастики не пройдут полный метаморфоз, после этого самка отрыгивает маленьких лягушат. Зародыши во время инкубации секретируют простагландин Е2, который воздействует на стенки желудка и ингибирует продукцию соляной кислоты.

По словам Майкла Арчера, профессора Университета Нового Южного Уэльса, его научной группе удалось запустить развитие эмбрионов Rheobatrachus silus спустя 30 лет после вымирания. В своем TEDxTalk Арчер рассказал, что ученые, используя замороженные образцы ткани Rheobatrachus silus, смогли выделить ядра и пересадить их в яйцеклетки ныне живущих лягушек, Mixophyes fasciolatus, у которых собственные ядра были удалены. В результате зародыши развивались до стадии бластулы, однако затем развитие останавливалось.

К сожалению, за прошедшие 10 лет никаких новых данных о продолжении исследований в этом направлении не появилось. Судя по последним публикациям, научные исследования Майкла Арчера направлены на поиск и изучение ископаемых останков древней фауны Австралии, в то время как эксперименты по «воскрешению» отошли на второй план.

Самое ожидаемое воскрешение в Южном полушарии. Тасманийский волк.

Биотехнологическая компания Colossal совместно с учеными из лаборатории TIGRR Университета Мельбурна во главе с Эндрю Паском поставили перед собой задачу: вернуть к жизни один из символов Австралии — тилацина.

Тасманийский волк, или тилацин (Thylacinus cynocephalus) был самым крупным сумчатым хищником Австралии, дожившим до современности. Исторически тилацин обитал на всей территории Австралии, островах Новая Гвинея и Тасмания, но с появлением человека его ареал сильно сократился и ограничился Тасманией. В начале ХХ века с приходом в регион европейцев популяция тасманийского волка сильно сократилась. В 1936 году в неволе умер последний представитель вида, а с 1982 года тасманийский волк считается полностью вымершим.

В 2018 году удалось отсеквенировать геном тилацина, используя материал детеныша, хранившегося в спирте 108 лет в качестве музейного экспоната. Благодаря этому положение тилацина на филогенетическом дереве было скорректировано: теперь он считается базальной ветвью отряда хищных сумчатых, в который, кроме него, входят два современных семейства: Dasyuridae (в частности, тасманийский дьявол, кволлы и даннарт) и Myrmecobiidae (намбаты, сумчатые муравьеды). Однако из-за плохой сохранности образцов ткани секвенированный геном тилацина является неполным.

Команда Паска значительно улучшила сборку генома тилацина. Далее команда ученых намерена заполнить бреши с помощью технологий редактирования генома, используя в качестве матрицы полностью отсеквенированный геном ближайшего родственника — намбата. В будущем из отредактированной клетки планируют вырастить эмбрион, который могла бы выносить суррогатная мать. Однако вырастить эмбрион тилацина из отредактированных клеток намбата — непростая задача, так как вспомогательные репродуктивные технологии для сумчатых развиты слабо.

Чтобы отработать технологии для сумчатых, Паск обратился к другому родственнику тилацина, крошечному мышевидному даннарту. Это животное — удобный модельный объект для изучения сумчатых, по аналогии с домовой мышью для плацентарных.

По словам Паска, усилия по возрождению тилацина также могут быть полезны для сохранения исчезающих видов Австралии.

Самое обсуждаемое воскрешение. Шерстистый мамонт

Ученые из Гарварда под руководством Джорджа Чёрча приблизились к тому, чтобы воскресить мамонта — представителя мегафауны плейстоцена, вымершего около 4000 лет назад.

Мамонты известны своими адаптациями к низким температурам. Так, среди морфологических особенностей выделяются густой мех и маленькие уши. Однако есть и другие адаптации, не столь очевидные, затронувшие метаболизм и чувствительность к холоду. Исследование геномов сибирских шерстистых мамонтов и современных слонов позволило идентифицировать гены, которые активно эволюционировали у мамонтов и накопили много мутаций. Такие гены, как AHNAK2, KRT8, FLG и LYST, отвечают за рост шерсти, а гены ACADM и TET1 связаны с метаболизмом жира. Также были найдены мутации в генах иммунной системы, включая PARP14 и CD1D.

Основываясь на этих данных, гарвардские ученые совместно с компанией Colossal (ее представляет как раз Джордж Чёрч) решили возродить мамонта путем редактирования генов его ближайшего родственника — индийского слона. Это непростая задача, так как их геномы отличаются примерно на 1,5 миллиона нуклеотидов. Однако исследователи планируют сфокусироваться на тех генах, которые связаны с фенотипическими особенностями мамонта, например на генах, отвечающих за волосяной покров и размер ушей. Конечно, речь идет не о возвращении к жизни реальных мамонтов, а лишь о создании животных со схожей морфологией, приспособленных к жизни в суровом климате. Также команда работает над созданием искусственной матки, в которой планируется вынашивать будущего мамонтенка. Это обусловлено техническими сложностями (кто вам даст сто слоних на эксперименты?).

Создание искусственных маток является сложным и дорогостоящим процессом, однако искусственные матки уже применяются для изучения развития эмбрионов мыши. Ученые из Израиля разработали систему культивирования эмбрионов ex utero и поддерживали развитие, начиная со стадия гаструлы и до позднего органогенеза.

Важной целью попыток воскрешения мамонтов является реинтеграция этих животных в естественную среду обитания для улучшения экологической ситуации в северных широтах. Мамонты играли огромную роль в формировании экосистемы тундры, которая во времена плейстоцена значительно отличалась от современной. Считается, что мамонты, как и другие представители мегафауны, способствовали удобрению почвы и круговороту питательных веществ, а агрессивное кормление этих млекопитающих и вытаптывание позволяло распространяться менее конкурентоспособным травам там, где в противном случае доминировали бы мох или кустарники. Таким образом, благодаря растительноядной мегафауне в плейстоцене тундра была более плодородной и обладала богатым разнообразием растительности.

Самая высокая вероятность успеха. Белый носорог

Северный белый носорог — один из подвидов белого носорога, который находится под угрозой вымирания. Считается, что в дикой природе северного белого носорога не осталось, а в неволе содержится всего две особи, обе самки. Размножение естественным путем для подвида невозможно.

Однако консорциум BioRescue стремится предотвратить полное исчезновение северного белого носорога. Усилия ученых направлены на разработку вспомогательных репродуктивных технологий для восстановления его популяции. Основной идеей является создание индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) из клеток кожи северного белого носорога. Эти ИПСК могут развиться в яйцеклетки, которые предполагается оплодотворить спермой другого подвида носорога и пересадить суррогатным матерям.

Уже удалось получить ИПСК из фибробластов кожи, взятых у самки белого носорога по имени Набире, которая жила в чешском зоопарке и умерла в 2015 году в 31 год. Клетки экспрессировали маркеры плюрипотентности и могли дифференцироваться в предшественников клеток всех трех зародышевых листков и трофобласта.

Получение функциональных яйцеклеток или сперматозоидов из таких клеток остается крайне сложной задачей. В 2016 году из ИПСК мыши получили функциональные и фертильные гаметы, но перенос этой технологии на гораздо более крупные виды животных представляет серьезный вызов.

В 2022 году в журнале Science Advances ученые из BioRescue опубликовали отчет об успешном культивировании первичных половых клеток из ИПСК северного белого носорога. Результаты исследования показали, что дифференцировка в предшественников половых клеток зависит от тонкой настройки сигнальных путей WNT и BMP, причем ключевую роль в этой дифференцировке играет фактор транскрипции SOX17. Более того, авторы обнаружили специфические поверхностные маркеры D9 и ITGA6, с помощью которых можно отличать популяцию первичных половых клеток от ИПСК.

Эти достижения являются первым шагом на пути к производству гамет видов, находящихся на грани вымирания.

Самый молодой проект по воскрешению. Додо

Маврикийский дронт (Raphus cucullatus), более известный как додо, эндемик острова Маврикий, вымер в XVII веке. Из-за отсутствия естественных хищников додо оказались абсолютно беззащитными перед прибывшими на остров европейцами и привезенными ими животными. А в 2023 году компания Colossal заявила, что начинает работу по воскрешению вида.

Технологии клонирования птиц развиты значительно хуже, чем других позвоночных животных. К настоящему времени неизвестно ни об одном случае клонирования птиц. Из-за протяженности и извилистости яйцеводов птиц получить неоплодотворенные яйцеклетки, в которые можно было бы перенести ядро, крайне сложно. Для клонирования птиц нужно использовать другие подходы.

Colossal инвестировала в проект 150 миллионов долларов, а возглавила работу Элизабет Шапиро, известный эволюционный биолог, основные исследования которой направлены на изучение и анализ древней ДНК животных и растений плейстоцена. Исследования Шапиро проливают свет на то, как климатические изменения и действия человека влияли на популяции представителей мегафауны — мамонтов, бизонов, лошадей — и помогают лучше понять историю видов и их адаптацию к меняющейся среде.

Для воскрешения додо исследователи планируют отойти от клонирования с помощью переноса ядер и использовать клонирование путем переноса первичных половых клеток. Они намерены отредактировать геном ближайшего родственника додо — гривистого голубя (Caloenas nicobarica) и вывести гибридную линию первичных половых клеток (ППК). Эти клетки можно культивировать in vitro, а затем трансплантировать куриному эмбриону. Вылупившиеся цыплята не станут додо, однако некоторая популяция половых клеток будет нести «ДНК додо». Следующее поколение, то есть потомство таких цыплят, будет нести в своих соматических клетках отредактированную ДНК.