Er hægt að endurlífga útdauð dýr?
Er hægt að endurlífga útdauð dýr? Vísindavefurinn, 19. júní 2018.
Í sögu lífs á jörðinni eru þekktar fimm stórar útdauðahrinur þar sem margar tegundir og fjölskyldur lífvera dóu út. Ein slík hrina varð til dæmis við lok permtímabilsins og önnur í lok krítartímans þegar risaeðlurnar dóu út (endanlega, nema fuglarnir sem eru af þeim komnir). Sjötta útdauðahrinan er hafin. Ólíkt þeim fyrri er hún af mannavöldum, vegna mengunar, eyðingar búsvæða, ofveiði og loftslagsbreytinga.
Margar lífverur hafa dáið út á síðustu öldum vegna mannsins, til dæmis geirfuglar og flökkudúfur. Margar aðrar lífverur eru í útrýmingarhættu. Af sumum tegundum dýra eru bara eftir tugir, hundruðir eða þúsundir einstaklinga í náttúrunni. Þekkt er skjaldbakan Einmanna Georg á Galapagoseyjum, en hann var sá síðasti sinnar tegundar (Chelonoidis nigra abingdoni). Tilraunir til að maka honum við kerlur af öðrum náskyldum tegundum báru engan árangur og tegundin dó út með honum árið 2012.
Spyrja má hvort og þá hvaða aðferðir duga til að hindra útdauða tegunda eða jafnvel endurlífga útdauð dýr? Ein aðferð til þess að reyna að bjarga tegundum úr útrýmingarhættu er sú sem Georg fékk að prófa. Að æxla einstaklingum við náskyldar tegundir og þeim afkvæmum svo saman og reyna að velja fyrir eiginleikum sem einkenna tegundina í hættu. Þetta hefur til dæmis verið reynt með stórar kattartegundir, ljón, tígrisdýr og skylda ketti. Vandamálið er að ekki er augljóst hvernig hægt er að endurbyggja upprunalegu tegundina, til dæmis ljónið úr genasúpu stórra kattardýra.
Nú er aðallega horft til tveggja aðferða, klónunar eða erfðabreytinga, í þeirri von að bjarga tegundum í útrýmingarhættu eða jafnvel endurreisa útdauðar tegundir. Klónun, byggð á kjarnaflutningi inn í eggfrumu hefur verið notuð og er lambið Dollý frægasta dæmið, en alls hafa 21 aðrar dýrategundir verið klónaðar með þessari aðferð. Nýlega fæddust tveir makakí-apar, Hua Hua og Zhong Zhong, sem búnir voru til á þennan hátt.
Klónun hefur nýst við að fjölga lífverum sem eru í útrýmingarhættu. Banteng (Bos javanicus), asískur ættingi kúa, var klónaður og tvö slík dýr voru til sýnis í dýragarðinum í San Diego. Klónaður gaur (Bos gaurus), en gaurar eru indverskir ættingjar vísunda, átti að vera aðalaðdráttarafl sama dýragarðs en hann dó skömmu eftir fæðingu. Fæðing er hættuleg spendýrum en gæti verið sérstaklega hættuleg klónuðum dýrum og eru mörg dæmi eru um að klónuð afkvæmi hafi dáið í fæðingu. Þótt klónun komi að gagni þá er hún hvorki skilvirk né örugg aðferð til að hjálpa til við að fjölga dýrum í útrýmingarhættu. Ein og sér dugar hún heldur ekki til að endurreisa útdauð dýr því fyrir klónun þarf lifandi frumu eða heilan kjarna.
Ný erfðatækni - CRISPR-Cas-tæknin - gæti hugsanlega gert mögulegt að endurlífga útdauðar tegundir, sérstaklega ef hún er notuð með klónunartækni. CRISPR-aðferðin gerir mögulegt að breyta röð gena á markvissan hátt. Hugsanlegt væri að nota aðferðina til að breyta erfðamengi núlifandi tegundar þannig að það líkist erfðamengi útdauðs ættingja. Aðferðin byggir á nokkrum veigamiklum forsendum. Til að mögulegt sé að lífga við útdauðu tegundina þurfa að vera fyrir hendi upplýsingar um erfðamengi hennar. Ekkert erfðaefni er að finna í leifum tegunda sem dóu út fyrir milljónum ára. Það er því enginn möguleiki á að endurlífga risaeðlur eða brynfiska. Einnig þarf tegund náskylda þeirri útdauðu, sem er nægilega algeng til að vinna með. Upplýsingar um raðir erfðamengja beggja tegunda, þeirrar útdauðu og ættingjans, þurfa að vera áreiðanlegar. Síðan þarf að endurskrifa erfðaefni ættingjans og breyta því þannig að því svipi til erfðaefnis útdauðu tegundarinnar, sem myndi gerast með CRISPR-tækninni. Til að hraða ferlinu þyrfti líklega að notast við klónun fruma og nokkrar umferðir af erfðabreytingum og þroskun afkvæma í staðgöngumæðrum. Þannig væri hægt að færa erfðamengi fjarskylda ættingjans (og þar með líffræði einstaklinganna) nær því sem einkenndi hina útdauðu tegund. Hugmyndin er djörf og spurning hvort hún sé framkvæmanleg. Eitt veigamikið atriði er spurningin um hvaða erfðabreytingar ætti að framkvæma.
Munur á erfðaefni náskyldra tegunda er mismikill. Á hinum útdauða loðfíl og núlifandi Afríkufíl er um 3% munur á erfðaefni. Það kann að virka smávægilegt, en vegna umfangs erfðamengja hryggdýra þýðir þetta að fleiri milljónir basa eru ólíkir í erfðamengjum fíls og loðfíls. Það er tæknilega ómögulegt að framkvæma milljón nákvæmar breytingar með CRISPR-tækninni á erfðaefni einnar frumu. Forvígismenn aðferðarinnar segja að þeir vilji ekki gera allar breytingarnar heldur bara þær sem skipti máli. Þá vaknar næsta spurningin hvaða mismunur á genum loðfíls og fíls skiptir mestu um muninn á útliti þeirra og hegðun? Forvígismennirnir segja að þær séu örugglega aðeins 20 til 100, aðeins þurfi að finna þær.
Þróunar- og erfðafræðingar vita að það er fáránlega erfitt að finna gen sem hafa áhrif á mun á tveimur tegundum. Nærtækt dæmi er sá 1-3% munur sem er á erfðaefni manna og simpansa. Við höfum hugmynd um mismun í nokkrum genum sem líklega skipta máli fyrir muninn á okkur og simpönsum, en alls ekki allar breytingarnar. Því er harla ólíklegt að hægt sé að finna hvaða 100 stökkbreytingar gerðu loðfílinn frábrugðinn nútímafílnum, og þar með fellur framtakið um sjálft sig.
Ef til vill er þó veigameira sú fyrirhöfn og kostnaður sem myndi fylgja því að endurlífga útdauða lífveru eða koma tegund úr útrýmingarhættu með klónun og erfðatækni.
Við höfum mestan áhuga á verndun stórra dýra, spendýr og fugla. En fæstir hafa áhyggjur af útdauða orma, bjalla, baktería eða blóma. Veruleikinn er sá að þetta eru algengustu hópar lífvera á jörðinni. Hraði útdauða í nútímanum er hár, talið er að um 30 tegundir deyi út á hverjum degi. Það þyrfti því að klóna og endurlífa um 30 tegundir á dag til þess að halda í horfinu hvað varðar fjölda tegunda.
Rétta spurningin er ef til vill hver er besta leiðin til að viðhalda fjölbreytileika lífs á jörðinni? Svarið er að við þurfum að breyta neyslumynstri, draga úr ferðalögum með flugvélum, vernda búsvæði og óspillt víðerni.
Samantekt:
- Erfðatækni og klónun mætti ef til vill nýta til að bjarga tegundum í útrýmingarhættu.
- Mun erfiðara er að endurlífga útdauðar tegundir með slíkri tækni, sérstaklega löngu útdauðar tegundir eins og loðfíla.
- Ómögulegt væri að endurlífga risaeðlur því erfðaefni þeirra er glatað og þær eiga enga nægilega skylda ættingja á lífi.
- Mikilvægara er að koma í veg fyrir útdauða með því að vernda náttúruna og draga úr neyslu.
Er hægt að klóna apa?
Náttúrleg klónun er vel þekkt,til dæmis við knappskot eða þegar ný tré vaxa upp af brotnum greinum eða föllnu tré (samanber stiklinga). Í marga áratugi hafa vísindamenn unnið að því að klóna dýr á tilraunastofum. Breski líffræðingurinn John Gurdon (f. 1933) var fyrstur til að klóna hryggdýr þegar hann klónaði froska upp úr miðri síðustu öld. Hann fékk Nóbelsverðlaunin í lífeðlis- og læknisfræði árið 2012 fyrir rannsóknir sínar. Margir kannast við kindina Dollý sem vísindamenn við Roslin-rannsóknastöðina í Skotlandi klónuðu 1996. Dollý og nafnlausu froskarnir hans John Gurdons voru búnir til með aðferð sem byggir á því að fjarlægja kjarna úr eggi og hvata samruna líkamsfrumu við eggið (e. somatic cell nuclear transfer, skammstafað SCNT, bein þýðing væri ef til vill líkamsfrumukjarnaflutningur). Í tilfelli Dollýjar var notaður kjarni úr júgurfrumu kindar af Finn Dorset-kyni en egg úr kind af Scottish Blackface-kyni. Með því að nota sitt hvort fjárkynið var auðvelt að greina uppruna afkvæmisins við fæðingu út frá útliti, en uppruni kjarna Dollýar var einnig staðfestur með sameindaerfðafræði.
Arnar Pálsson. „Er hægt að klóna apa?“ Vísindavefurinn, 9. apríl 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=75518
Einræktun af þessu tagi er ekki skilvirk aðferð. Af 277 eggjum sem fengu kjarna úr júgurfrumu komust 29 óhult í gegnum fyrstu frumuskiptingarnar og gátu myndað kímblöðru. Af 29 kímblöðrum sem voru fluttar í leg Scottish Blackface-kinda náðu 13 að bindast legveggnum. Aðeins eitt fóstur gat af sér lifandi lamb (6LL3) sem fékk nafnið Dollý. Þegar Dollý var kynnt árið 1997 héldu sumir að hægt væri að klóna allar lífverur. Síðan hafa 23 tegundir dýra hafa verið klónaðar, til dæmis svín, kýr, kindur, kettir og hundar. Fram til ársins 2017 hafði engum tekist að klóna apa þrátt fyrir margvíslegar tilraunir. Stofnfrumusérfræðingurinn Shoukhrat Mitalipov og félagar hans við Heilsu- og vísindaháskólann í Oregon gerð til dæmis tilraunir með 15.000 egg úr öpum en án árangurs. Ókleifi þröskuldurinn virðist hafa verið mörkun kjarnanna. Mörkun á sér stað í þroskaferli frumna þegar þær þroskast á ákveðna braut, til dæmis í forvera taugakerfis eða húðar. Frumurnar sérhæfast síðan til dæmis í ólíkar frumur húðar eða heilans. Kjarnar starfa ólíkt í mörkuðum eða sérhæfðum frumum og frjóvgaðri eggfrumu.
Allar frumur líkamans hafa sama erfðaefni. Munurinn á frumugerðum er sá að þær nota mismunandi gen. Þetta er best útskýrt með ímynduðu dæmi, segjum til dæmis að taugafrumur noti 10.000 gen og lifrarfrumur 8.000, en bara 5.000 þeirra eru sameiginleg. Virkni genanna er stýrt af nákvæmum kerfum, framleiðsla tiltekinna prótína er skrúfuð upp eða niður eftir aðstæðum og þegar þroskun vindur fram. Stýringin felst meðal annars í því að pakka eða afpakka tilteknum svæðum á litningum sem gerir frumum kleift að muna. Ákveðin litningasvæði fruma í húð eru pökkuð og allar frumur sem af þeim koma einnig. Þannig muna þær að þær eru húð og framleiða rétt prótín en ekki til dæmis meltingarensím eða taugaboðefni. Árangurinn í klónun veltur á því hversu vel gengur að endurstilla kjarna gjafafrumunnar. Tilraunir til að klóna apa hafa mistekist og þá er spurningin hvort það sé vegna þess að aðferðir okkar eru ófullkomnar eða vegna þess að klónun virkar ekki fyrir þennan hóp dýra sem við tilheyrum einnig. Í janúar 2018 birtist grein í vísindatímaritinu Cell eftir Qiang Sun og samstarfsmenn hans við Taugalíffræðistofnunina í Shanghai sem sýndi hvernig hægt er að klóna makakí-smáapa með kjarnaflutningsaðferðinni. Sun og félagar komust fyrir hindranir sem reyndust óyfirstíganlegar fyrir alla aðra. Nýjungarnar voru tvennskonar. Í fyrsta lagi að nota tiltekin efni og RNA-boð til að endurforrita erfðaefni frumunnar. Um var að ræða efni sem hafa áhrif á litnið og mRNA fyrir ensím sem breytir aðgengi að erfðaefninu. Í öðru lagi notuðu þeir fósturfrumur úr öpunum en ekki frumur úr fullorðnum dýrum eða ungviði. Dollý var til dæmis klónuð úr frumum úr júgri fullorðins dýrs, mögulega stofnfrumu. Fósturfrumur er máttugri en venjulegar frumur. Húðfruma getur bara af sér húðfrumur, ekki heilan líkama. Þetta seinna atriði þýðir að klónun fullorðins apa hefur ekki tekist heldur aðeins klónun á fóstri.
Í tilrauninni var unnið með rúmlega hundrað egg sem kjarnar höfðu verið fjarlægðir úr. Kjarnalaus egg voru látin renna saman við stakar þekjufrumur úr fóstri sem gaf 109 kímblöðrur (fóstur með um 200-300 frumur). Eðlilegur frumuklasi fannst í 79 kímblaðranna og voru þau fóstur sett i staðgöngumæður (21 talsins). Aðeins sex fóstur leiddu til eðlilegrar meðgöngu og einungis tveir apar (Hua Hua og Zhong Zhong) fæddust. Þeir komu í heiminn eftir 135 og 137 daga sem er eðlileg meðganga fyrir makakí-smáapana. Klónun úr frumum fullorðins apa tókst næstum. Sun og félagar reyndu einnig að nota líkamsfrumur fullorðins apa, úr þekjufrumum eggbús. Svipaður fjöldi eggja var notaður og árangurinn sambærilegur við hina tilraunina. Tveir apar gengu fulla meðgöngu og fæddust lifandi, en dóu báðir innan tveggja daga. Áður höfðu slík fóstur komist 2/3 meðgöngunnar, að 80 degi um það bil. Hvers vegna voru þessar tilraunir gerðar? Í kjölfar klónunar Dollýjar var umræða um hvort eðlilegt væri að nota klónun til að fjölga fólki (e. reproductive cloning). Í flestum vestrænum ríkjum var slík klónun bönnuð með lögum eða reglugerðum. Engu að síður er nú rætt hvort réttlætanlegt sé að nota klónun til að lækna sjúkdóma, til dæmis leiðrétta erfðagalla í fóstri eða afkvæmi pars. Slíkt virðist ekki vaka fyrir rannsóknarhóp Sun og félaga í Shanghai. Yfirlýst markmið tilraunanna er að útbúa líkan fyrir líffræði taugasjúkdóma eins og Alzheimer og Parkinson, sem ekki er hægt að herma eftir í músum. Þeir vilja nota klónun til að geta borið saman apa með og án alvarlegra stökkbreytinga til dæmis sem orsaka Alzheimer. Ef tveir apar eru nákvæmlega eins erfðafræðilega, nema hvað annar er með gallað gen, væri mögulega auðveldara að rannsaka líffræði sjúkdómsins. Annmarkar á rannsóknaráætlun þeirra eru lítil sýnastærð og mögulega áhrif erfðaumhverfis. Einnig er mögulegt að klónunin sjálf hafi aukaverkanir. Sýnastærð er mikilvæg í vísindum. Samanburður á tveimur dýrum er ófullnægjandi, krafa er um stór þýði og að hægt sé að endurtaka rannsóknina. Það þyrfti mikinn fjölda apynja til að gefa eggin og ganga með fóstrin og síðan heila heimavist sem aparnir þyrftu að búa í. Jafnvel þótt búin verði til nokkur pör af öpum, með eða án tiltekinnar stökkbreytingar, þá þroskast hver þeirra á sinn hátt og alls óvíst að hægt sé að útbúa þeim nægilega svipað umhverfi. Annað vandamál er að stökkbreytingin sem rannsaka á getur haft framandi áhrif í apanum, það er að segja í erfðaumhverfi tegundarinnar eða jafnvel einstaklingi sem hún var sett í. Rhesusapar, ættingjar makakísmáapanna, eru til dæmis með útgáfur gena sem valda sjúkdómum í manninum en rhesusaparnir sýna engin einkenni sjúkdómsins þótt þeir séu allir „stökkbreyttir“. Ástæðan er sú að samhengi stökkbreytinga skiptir máli, bæði erfðafræðilegt samhengi og einnig umhverfislegt, sem er líka félagsumhverfi. Allt þetta á við um erfðasjúkdóma mannsins eins og slímseigjusjúkdóm (Cystic fibrosis), krabbamein og Alzheimer. Almenn gagnrýni er að lífverur sem myndast með klónun eru erfðafræðilega eldri en venjulegar lífverur. Klónun byggir á að „eldri“ frumur sé notaðar í næstu kynslóð. Líkamsfrumur skipta sér oftar en stofnfrumur kynfruma. Í hverri skiptingu eru líkur á stökkbreytingum og með fleiri skiptingum aukast líkurnar, samanber krabbamein. Fruma úr júgri „klónmóður“ Dollýjar var kannski búin að skipta sér 20 sinnum en kynfrumur eins og egg mun sjaldnar. Þar af leiðandi er hætta á að klónar verði erfðafræðilega gamlir. Það felst mótsögn í því að klóna erfðafræðilega fullkomnar verur með aðferð sem tryggir að þær verði ófullkomnar. Frá vísindalegu sjónarmiði er samt forvitnilegt að rannsaka mynstur stökkbreytinga í klónuðum lífverum, til dæmis að kanna hvort líkur á krabbameinum aukist. Einnig er forvitnilegt að rannsaka endurforritun kjarnanna, hversu vel hún tekst og hvort að frávikin hafi áhrif á ólíka vefi eða líffærakerfi.
Samantekt
- Nýleg rannsókn sýnir að klónun apa og jafnvel manna er kannski möguleg.
- Í þessari rannsókn var unnið með fósturfrumur, ekki er því um klónun fullorðins apa að ræða.
- Klónun manna er bönnuð á flestum Vesturlöndum.
- Miðað við vandamálin sem yfirstíga þarf við klónun apa er fjarska ólíklegt að menn verði klónaðir í framtíðinni.
Hversu mörg gen fáum við frá hverjum forföður?
Með bættum aðferðum til að greina erfðabreytileika manna á milli og betri líkönum í stofnerfðafræði hefur möguleikinn á að svara spurningu eins og þessari aukist mikið. Með því að nota sameindagreiningar má finna hvaða litningar og hlutar þeirra koma frá föður, móður, öfum, ömmum og fjarskyldari forfeðrum.
Arnar Pálsson. „Hversu mörg gen fáum við frá hverjum forföður?“ Vísindavefurinn, 21. mars 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=75186.
Margir núlifandi Íslendingar geta rakið ættir sínar til Egils Skallagrímssonar. En hversu mörg gen fengu þeir í raun frá honum? Við fáum helming gena okkar frá hvoru foreldri. Því leggur amma barnabarni til 1/4 gena, langamma 1/8, langlangamma 1/16 og svona má halda áfram aftur í ættir. Ef við gerum ráð fyrir 40 kynslóðum frá Agli til nútímaafkomenda hans er framlagið 1/1.000.000.000.000. Miðað við að erfðamengi okkar er 6.400.000.000 basar (á tvílitna formi), er ljóst að flestir afkomendur Egils fengu ekki einn einasta basa frá honum!
Með sama hætti má reikna út til dæmis framlag pólska stjörnufræðingsins Kópernikusar (1473-1543) til núlifandi afkomenda hans. Með hliðsjón af erfðum og miðað við 20 kynslóðir þeirra á milli er 1 milljónasti hluti erfðaefnis afkomandans frá Kópernikusi kominn.
En ef við förum stutt aftur í ættir lítur dæmið öðruvísi út. Frá hverri langalangömmu fáum við til dæmis 6,25% af erfðaefni okkar. Það er alvöru framlag. Um 1280 gen af þeim 20.500 sem finnast í erfðamengi okkar, komu frá langalangömmu okkar.
Erfðaframlag til afkvæmis, rakið einn ættlegg. Á x-ás eru forfeður stúlkunar teiknaðir og á y-ás erfðaframlag sem hún fær frá hverri formóður á ættleggnum.
Rétt er að taka fram að allar tölurnar hér að ofan eru meðaltöl og öruggt að sumir afkomendur fengu meira erfðaefni frá hverjum forföður og aðrir minna. Ástæðan er sú að stokkun litninga er óregluleg, atburðirnir (endurröðun) sem klippa þá sundur og raða þeim saman aftur eru ekki það margir í hverri kynslóð. Þannig erfast stórir partar af litningum saman í gegnum margar kynslóðir. Af því leiðir að flestir afkomendur Kópernikusar fengu ekkert, en aðrir meira af DNA frá honum.
Stofnerfðafræðingurinn Graham Coop hefur reiknað líkurnar á því að við fáum erfðaefni frá forfeðrum okkar. Eins og sést á seinni myndinni í svarinu er framlag langalangömmu og hennar kynslóðar töluvert, en þegar komið er nokkrum kynslóðum ofar verða áhrif breytileika í endurröðun meiri og líkurnar á að við erfum einhver gen frá forfeðrum okkar dvína hratt. Minni en 50% líkur eru á að forfeður í 9. lið hafi gefið okkur eitt einasta gen og við 14. kynslóð eru líkurnar orðnar minni en 5%.
En framlagið hækkar vitanlega ef forfaðirinn (til dæmis langalangamman í dæminu að ofan) kemur tvisvar eða oftar fyrir í ættartré einstaklings. Og því ofar sem við klifrum í ættartréð, því meiri verða líkurnar á að greinarnar falli saman. Samruni í ættartrjám er ansi algengur og getur af sér forvitnileg mynstur.
Meginniðurstöður:
- Einstaklingar frá helming gena sinna frá hvoru foreldri.
- Einstaklingar fá fjórðung gena sinna frá hverri ömmu og afa.
- Einstaklingar fá sífellt minna erfðaframlag frá forfeðrum þegar klifrað er ofar í ættartréð.
- Stokkun litninga veldur mikilli dreifni í erfðaframlagi hvers forföðurs ofar í ættartrénu.
Heimildir og mynd:
- Graham Coop. How much of your genome do you inherit from a particular ancestor? / gcbias.org, 4. nóvember 2013. (Skoðað 12. febrúar 2018).
- Mynd: Arnar Pálsson.