Kloonaus: määritelmä, tyypit ja esimerkit
Kloonaus — selkeä määritelmä, tärkeimmät tyypit ja havainnollistavat esimerkit biologian, genetiikan ja laboratoriokäytäntöjen näkökulmasta.
Klooni on solu tai yksilö, joka on identtinen toisen kanssa.
Biologiassa kloonaus on prosessi, jossa tuotetaan yksi tai useampi geneettisesti identtinen yksilö. Kokonaisilla yksilöillä tarkoitetaan yleensä identtisen kopion tarkoituksellista tuottamista. Tämä onnistui ensimmäisen kerran nisäkkäillä kuuluisan Dolly-lampaan avulla. Ihmisen identtiset kaksoset ovat luonnollisia klooneja. Samoin ovat suvuttoman lisääntymisen jälkeläiset ja kaikki parthenogeneettiset lisääntymiset, joihin ei liity meioosia.
Kloonaus on luonnollista joillekin eläimille, mutta nisäkkäillä se on harvinaista. Poikkeuksena on yhdeksänhihainen vyötiäinen, joka synnyttää yleensä identtisiä nelosia.
Genetiikassa ja solubiologiassa kloonaus viittaa erityisesti DNA-sekvenssiin ja sitä kautta kaikkiin muihin makromolekyyleihin.
Solulinjoissa esiintyy kloonauksia, mutta siihen liittyy joitakin ilmeisiä ehtoja. DNA:n muutokset missä tahansa muodossa tarkoittavat, että tytärsolut eivät ole identtisiä emosolujen kanssa. Tyypillisesti kehityksen aikana geenit kytkeytyvät päälle ja pois päältä, ja tytärsolut erilaistuvat vähitellen kypsiksi kudossoluiksi. Nämä eivät ole identtisiä alkuperäisten kantasolujen kanssa, joten ne ovat klooneja vain siinä mielessä, että ne ovat peräisin samasta emosolusta.
Molekyylin laboratoriossa tapahtuvaa kopiointia tarkkojen kopioiden tuottamiseksi kutsutaan myös kloonaukseksi.
Tyypit ja tarkoitukset
Kloonausta voidaan jakaa karkeasti seuraaviin tyyppeihin:
- Reproduktoiva kloonaus — tarkoituksena luoda kokonainen elävä yksilö, joka on geneettinen kopio toisesta yksilöstä. Tämä on aiheuttanut paljon eettistä keskustelua ja käytännössä sitä ei tehdä ihmisillä.
- Terapeuttinen kloonaus — synnytetään alkiosoluja tai kantasoluja taudin tutkimusta ja hoitoa varten, esimerkiksi solusiirtohoitoihin. Tavoitteena ei ole syntetisoida elävää yksilöä vaan tuottaa soluja kudosten korvaamiseen.
- Molekyylikloonaus — geenitason kopiointi laboratoriossa, esimerkiksi plasmidivektoreihin liittämällä tai PCR:lla monistamalla. Tätä käytetään tutkimuksessa, lääketieteessä ja bioteknologiassa.
- Kasvien ja joidenkin eläinten kloonaus — vegetatiivinen lisääntyminen (esim. pistokkaat, juurimukulat) kopioi kasvin genetiikan luonnollisesti tai viljelyssä.
- Luonnollinen kloonaus — identtiset kaksoset, parthenogeneesi tai muut suvuttoman lisääntymisen tavat, joissa perimä on sama kuin vanhemmalla.
Menetelmät
Keskeisiä kloonausmenetelmiä ovat muun muassa:
- Somatic cell nuclear transfer (SCNT) — aikuissolun tuman siirto ytimettyyn munasoluun. Tätä menetelmää käytettiin Dollyn tapauksessa. SCNT:ssä esiintyy usein teknisiä haasteita, kuten alhainen onnistumisprosentti ja kehityshäiriöt.
- Blastomeerien erottelu (embryo splitting) — varhaisessa alkiossa olevien solujen jakaminen useiksi alkioksi, joista kehittyy identtisiä yksilöitä. Tämä muistuttaa luonnollista identtisten kaksosten syntyä.
- Molekyylitekniikat — DNA:n leikkaus ja liittäminen vektoreihin, PCR-monikopiointi, sekvensointi ja rekombinanttitekniikat, joiden avulla yksittäisiä geenejä tai DNA-fragmentteja kloonataan ja tutkitaan.
- Kasvullinen lisääntyminen — esimerkiksi pistokkaat, kerrokset tai itu- ja juurimukulat, joita käytetään maataloudessa ja puutarhanhoidossa.
Sovellukset
- Biolääketiede: mallieläimien luominen taudin mekanismien tutkimukseen, geneettisesti muunneltujen eläinten ja solulinjojen tuottaminen, kantasolupohjaiset hoidot.
- Maatalous ja karjatalous: taitotavalla tuotetut paremmat siat, lehmät tai kasvilajikkeet, jotka kantavat haluttuja ominaisuuksia.
- Bioteknologia: proteiinien tuotto (esim. insuliini), geenien tutkimus ja teollisuussovellukset.
- Uhanalaisten lajien suojelu: mahdollisuus lisätä populaatiokokoa, mutta soveltuvuus ja eettisyys arvioitava tapauskohtaisesti.
Rajoitukset ja riskit
Kloonauksessa on useita biologisia ja eettisiä ongelmia:
- Matala tehokkuus — monet kloonausyritykset epäonnistuvat, ja syntyville yksilöille voi kehittyä vakavia terveysongelmia.
- Epigeneettiset erot — vaikka DNA-sekvenssi olisi sama, geenien säätely (eli mitkä geenit ovat päällä tai pois) voi poiketa, mikä vaikuttaa kehitykseen ja terveyteen.
- Mitochondriaalinen perimä — SCNT:ssa äidinmunasolun mitokondriot säilyvät, joten kloonilla voi olla eroja alkuperäiseen soluun verrattuna mitokondriaalisen DNA:n osalta.
- Eettiset ja lainsäädännölliset kysymykset — ihmiskloonausta koskee laajaa kansainvälistä kieltoa tai rajoituksia, ja eläinkloonaus herättää huolta eläinten hyvinvoinnista.
Esimerkkejä ja huomionarvoisia seikkoja
Dollyn tapaus oli merkittävä koska se oli ensimmäinen todiste siitä, että aikuisen eläimen soluista voidaan aikaansaada kokonainen yksilö. Kuitenkin Dollyn syntyyn liittyi ympäristö- ja terveysongelmia, ja se kuoli ennenaikaisesti verrattuna moniin saman lajin edustajiin.
Luonnolliset kloonit, kuten identtiset kaksoset tai suvuttomasti lisääntyvät jälkeläiset, osoittavat että täydellinen geneettinen identtisyys voi esiintyä luonnossa ilman ihmisen väliintuloa. Toisaalta laboratorio-olosuhteissa tuotettu klooni ei aina ole biologisesti tai terveydellisesti täysin samanlainen johtuen edellä mainituista epigeneettisistä ja solutasoisista eroista.
Yhteenveto
Kloonaus kattaa laajan kirjon ilmiöitä luonnollisesta kaksosuudesta ja kasvien vegetatiivisesta lisääntymisestä tutkijoiden käyttämään molekyylikloonaustekniikkaan ja eläinten tai solujen tarkoitukselliseen kloonaamiseen. Menetelmät tarjoavat voimakkaita työkaluja tutkimukseen ja sovelluksiin, mutta ne tuovat mukanaan biologisia rajoitteita, riskejä ja merkittäviä eettisiä kysymyksiä, jotka on huomioitava päätöksenteossa ja sääntelyssä.
Ei aivan niin identtinen
Vaikka kloonit alkavat olla samanlaisia, ne eivät välttämättä pysy samanlaisina. Identtisillä kaksosilla on aina hieman erilaiset fenotyypit.
Vaikka yksiotsaiset kaksoset ovat geneettisesti lähes identtisiä, vuonna 2012 tehdyssä tutkimuksessa, jossa tutkittiin 92 yksiotsaista kaksosparia, havaittiin, että yksiotsaiset kaksoset saavat useita satoja geneettisiä eroja sikiön varhaisessa kehitysvaiheessa. Tämä johtuu mutaatioista (tai kopiointivirheistä), joita tapahtuu kummankin kaksosen DNA:ssa alkion jakautumisen jälkeen. Arvioidaan, että monotsygoottisilla kaksosilla on keskimäärin noin 360 geneettistä eroa, jotka ovat syntyneet sikiön kehityksen alkuvaiheessa. Näillä muutoksilla voi kuitenkin olla vain vähän käytännön vaikutusta. Käytännössä identtiset kaksoset näyttävät ja käyttäytyvät hyvin samankaltaisesti.
Toinen syy monotsygoottisten kaksosten välisiin eroihin on epigeneettinen muutos. Nämä johtuvat erilaisista ympäristövaikutuksista heidän elämänsä aikana, mikä vaikuttaa siihen, mitkä geenit kytkeytyvät päälle tai pois päältä. Tutkimus, johon osallistui 80 paria monotsygoottisia kaksosia, joiden ikä vaihteli kolmesta 74 vuoteen, osoitti, että nuorimmilla kaksosilla on suhteellisen vähän epigeneettisiä eroja. Epigeneettisten erojen määrä kasvaa iän myötä. Viisikymmenvuotiailla kaksosilla oli yli kolme kertaa enemmän epigeneettisiä eroja kuin kolmevuotiailla kaksosilla. Suurimmat erot olivat kaksosilla, jotka olivat viettäneet elämänsä erillään toisistaan (esimerkiksi kaksosilla, jotka olivat syntyessään saaneet adoptiolapsen kahdelta eri vanhemmalta). Tietyt ominaisuudet, kuten älykkyysosamäärä ja persoonallisuus, muuttuvat kuitenkin samankaltaisemmiksi kaksosten ikääntyessä. Tämä ilmiö havainnollistaa genetiikan vaikutusta moniin ihmisen ominaisuuksiin ja käyttäytymiseen.
Kloonattu laji
- Karppi: (1963) Kiinassa embryologi Tong Dizhou tuotti maailman ensimmäisen kloonatun kalan lisäämällä uroskarpin solun DNA:ta naaraskarpin munaan. Hän julkaisi tulokset kiinalaisessa tiedelehdessä.
- Hiiri: (1986) Hiiri oli ensimmäinen nisäkäs, joka onnistuttiin kloonaamaan varhaisesta alkion solusta. Neuvostoliittolaiset tiedemiehet Chaylakhyan, Veprencev, Sviridova ja Nikitin kloonasivat hiiren "Masha". Tutkimus julkaistiin "Biofizika"-lehden niteessä ХХХII, numero 5 vuonna 1987.
- Lammas: (1996) Varhaisista alkion soluista, kirjoittanut Steen Willadsen. Megan ja Morag[19] kloonasivat erilaistuneista alkion soluista kesäkuussa 1995 ja Dolly-lammas somaattisesta solusta vuonna 1997.
- Apina: (2000) Tetra, alkion halkaisusta.
- Gaur: (2001) oli ensimmäinen kloonattu uhanalainen laji.
- Karja: 2001 ja 2005, Brasilia.
- Kissa: CopyCat "CC" (naaras, vuoden 2001 lopulla), Little Nicky, 2004, oli ensimmäinen kaupallisista syistä kloonattu kissa.
- Koira: (2005) Snuppy, afgaanikoirauros, oli ensimmäinen kloonattu koira.
- Rotta: (2003) Ralph, ensimmäinen kloonattu rotta.
- Muuli: (2003) Idaho Gem, john-muuli, oli ensimmäinen hevosperheen klooni.
- Hevonen: (2003) Prometea, haflinger-naaras, oli ensimmäinen hevosklooni.
- Vesipuhveli: (2009) Samrupa oli ensimmäinen kloonattu vesipuhveli. Se syntyi intialaisessa Karnalin kansallisessa eläintutkimuslaitoksessa, mutta kuoli viisi päivää myöhemmin keuhkotulehdukseen.
- Kameli: (2009) Ensimmäinen kloonattu kameli.
- Rapuja syövä makakki: (2018) Tutkijat kloonasivat ensimmäistä kertaa apinoita tai apinoita käyttämällä alkion ikäisen luovuttajan soluja.
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on kloonaus?
A: Kloonaus on prosessi, jossa tuotetaan yksi tai useampi geneettisesti identtinen yksilö. Se voi tarkoittaa identtisen kopion tarkoituksellista tuottamista, kuten Dolly-lampaan tapauksessa, tai se voi tarkoittaa luonnollisia klooneja, kuten ihmisen identtisiä kaksosia tai suvuttoman lisääntymisen tuloksena syntyneitä jälkeläisiä.
K: Miten kloonaus toimii genetiikassa ja solubiologiassa?
V: Genetiikassa ja solubiologiassa kloonaus viittaa erityisesti DNA-sekvenssiin ja sitä kautta kaikkiin muihin makromolekyyleihin. DNA:n muuttaminen missä tahansa muodossa tarkoittaa, että tytärsolut eivät ole identtisiä emosolujen kanssa. Tyypillisesti kehityksen aikana geenit kytkeytyvät päälle ja pois päältä, mikä saa tytärsolut erilaistumaan kypsiksi kudossoluiksi, jotka eivät ole identtisiä alkuperäisten kantasolujen kanssa.
K: Onko kloonaus yleistä nisäkkäiden keskuudessa?
V: Kloonaus on luonnollista joillekin eläimille, mutta nisäkkäillä se on harvinaista. Poikkeuksena on yhdeksänhihainen vyötiäinen, joka synnyttää yleensä identtisiä nelosia.
K: Onko olemassa laboratoriotekniikoita molekyylien kloonaamiseksi?
V: Kyllä, molekyylin laboratoriossa tapahtuvaa kopiointia tarkkojen kopioiden tuottamiseksi kutsutaan myös kloonaukseksi.
K: Ovatko kaikki kloonit toistensa tarkkoja kopioita?
V: Ei, koska DNA:han tehdyt muutokset merkitsevät sitä, että tytärsolut eivät aina ole täsmällisiä kopioita emosoluistaan, vaikka ne olisivat alun perin peräisin niistä. Kehityksen aikana geenit kytkeytyvät päälle ja pois, mikä aiheuttaa erilaistumista tyttärisolujen ja alkuperäisten kantasolujen välillä, joten ne eivät välttämättä ole enää toistensa tarkkoja kopioita.
Kysymys: Onko Dolly-lammas esimerkki kloonauksesta?
V: Kyllä, Dolly kloonattiin tunnetusti käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan somaattiseksi solujen ydinsiirroksi (SCNT). Tämä oli yksi historian ensimmäisistä onnistuneista esimerkeistä nisäkkäiden kloonauksesta.
Etsiä