Kloonaus

Kloonaus tarkoittaa yhden tai useamman geneettisesti samanlaisen elollisen yksilön tuottamista siten, että lopputuloksena syntyvä uusi yksilö (klooni) on geneettisesti eli perinnöllisesti täysin identtinen alkuperäisen yksilön kanssa. Myös DNA:sta tai soluista muodostettuja identtisiä kopioita kutsutaan klooneiksi.

Käsitteestä

Eläin- ja kasvitieteet määrittelevät kloonauksen eri tavalla kuin reproduktiivinen lääketiede ja solubiologia. Eläin- ja kasvitieteissä kloonauksella tarkoitetaan osittain luonnollista, osittain keinotekoista tapahtumaa, jossa elollisesta organismista muodostuu uusi kudos- tai elinyksikkö, jolla on sama perimä kuin alkuperäisellä organismilla. 
Yksisoluiset eläimet (kuten amebat ja tohvelieläimet), eräät alkueläimet (kuten polyypit) sekä kaikki bakteerit ja kasvit pystyvät kloonautumaan, koska ne lisääntyvät suvuttomasti. Kloonautuminen onkin oleellinen osa näiden eliöiden lisääntymistä. Kehittyneemmät eläimet sen sijaan eivät biologisen moninaisuutensa vuoksi pysty lisääntymään suvuttomasti, sillä niiden solut lisääntyvät jatkuvasti ja erikoistuvat, ja niiden elimet muodostuvat kudoksista. Tietyissä olosuhteissa sammakkoeläinten menettämät raajat voivat uusiutua täysin, mutta kokonaisen yksilön muodostuminen raajasta ei kuitenkaan ole mahdollista.
Reproduktiivisessa lääketieteessä ja solubiologiassa kloonauksella puolestaan tarkoitetaan prosessia, jossa jostakin jo olemassa olevasta organismista eristetään geneettistä informaatiota (DNA). Tuon informaation perusteella luodaan keinotekoisesti uusi organismi, joka on täysin identtinen alkuperäisen organismin kanssa. Kloonauksen välivaiheessa tuotetaan kaikkikykyisiä soluja, yleensä alkiokantasoluja, minkä jälkeen yksilönkehitys voi alkaa. Prosessin tuloksena syntyy geneettisesti samanlainen yksilö eli klooni. Tällä tavalla voidaan ohittaa tavallisen hedelmöittymisen vaatima vaihe, jossa kahden yksilön haploidit genomit eli yksinkertaiset lajiominaiset kromosomistot (kts. Ploidia) sekoittuvat yhdeksi uudeksi diploidiksi kromosomiryhmäksi.   
Tarkasti ottaen kaikki kehittyneempien organismien solut ovat hedelmöittyneen munasolun eli tsygootin klooneja solujen erilaisista tehtävistä huolimatta. Kloonautuminen (suvuton lisääntyminen) on täten perusedellytys sellaisen monisoluisen organismin muodostumiselle ja toiminnalle, jossa kaikilla soluilla on sama perimä.
Luonnollinen vastine keinotekoiselle kloonaukselle on samamunaisten eli identtisten kaksosten kehittyminen. Tällöin tsygootti jakautuu ja ”tytärtsygootit” kehittyvät omiksi alkioikseen. Täten jo olemassa olevasta yksilöstä keinotekoisesti luotua kloonia voitaisiin siis pitää alkuperäisen yksilön samamunaisena kaksosena.

Maatalous

Kloonauksella on pitkät perinteet maanviljelyssä viljelykasvien kasvullisessa eli suvuttomassa lisääntymisessä. Pääsääntöisesti jalostettavien ja tietyt geneettiset ominaisuudet omaavien viljelykasvien genomi ei muutu lisääntyessä. Esimerkiksi mukulasta kehittyvät perunat ovat toistensa klooneja, kuten myös samalla tavalla lisääntyvät sipulit. Myös koko viininviljely perustuu lisäämiseen pistokkaiden kautta, ja viinilajit ovat biologisessa mielessä klooneja. Sama periaate pätee kaikkiin omenalajikkeisiin ja useimpiin hedelmälajeihin, joita lisätään suvuttomasti pistokkaita juurruttamalla.
Monivuotisten viljelykasvien, kuten viiniköynnösten tietyn kloonin kaikki köynnökset polveutuvat yleensä yhdestä emokasvista. Näin taataan se, että yhden viinitarhan tai muun viljelmän kanta on mahdollisimman homogeeninen eli yhdenmukainen. Eräät viljelijät tuovat tarkoituksella puhtaan kloonikannan kosketuksiin toisen homogeenisen kannan kanssa istuttamalla esimerkiksi alkuperältään erilaisia rieslinglajikkeita vierekkäin.
Muita yleisesti kloonattavia kasvilajeja ovat muun muassa banaani, avokado, sitrushedelmät, ananas, peruna, mansikka, vadelma, herukka sekä puut, kuten lehmus.

Solubiologia ja reproduktiivinen lääketiede

Kehittyneempien organismien alkioita on mahdollista kloonata esimerkiksi irrottamalla soluja ennen kuin alkio kehittyy kahdeksansoluiseksi. Teoriassa kahdeksan keskenään identtisen organismin eli kloonin luominen tällä keinolla on mahdollista.
Nykyään käytettävä kloonausmetodi perustuu uuden organismin luonnolliseen kehitykseen sen jälkeen, kun tuman perimäaines on siirretty normaaliin munasoluun. Tähän mennessä ei ole kehitetty menetelmää täysikasvuisen eläimen kloonaamiseksi toiseksi täysikasvuiseksi eläimeksi.
Tuman siirtoa varten kloonattavasta eliöstä otetaan solu, josta erotetaan tuma. Erotettu tuma istutetaan elävän organismin ulkopuolella hedelmöitettyyn munasoluun (kts. koeputkihedelmöitys), jonka oma tuma on poistettu. Kehityksen käynnistämiseksi munasoluun johdetaan sähkösykäys tai sitä aktivoidaan kemiallisella ärsykkeellä.
Näin tuotettujen solujen käyttötarkoituksista tarkemmin seuraavien otsikoiden alla.
Koska munasolun mitokondriot, joilla myös on omaa perintöainesta, eivät siirry alkioon, tällä menetelmällä ei synny geneettisesti identtisiä klooneja toisin kuin siinä tapauksessa, jos hedelmöitetty munasolu on peräisin lähtöorganismista. Kloonin tumassa siis on lähtöorganismin perintöaines, mutta kloonin mitokondrioissa on munasolun luovuttaneen organismin perintöaines.

Terapeuttinen kloonaus

Terapeuttisessa eli hoitotavoitteisessa kloonauksessa alkio hajotetaan muutaman solunjakautumisen jälkeen ja yksittäiset solut siirretään soluviljelmään jatkamaan kasvua. Sopivien kemiallisten ja biologisten ärsykkeiden (kts. kasvutekijä) avulla näistä kantasoluista voidaan mahdollisesti kasvattaa kaikkia kudostyyppejä, ehkä jopa kokonaisia elimiä. Toisena vaihtoehtona on, että kantasolut siirretään suoraan potilaan kehoon. Tammikuussa 2008 eräs yhdysvaltalainen tutkijaryhmä kertoi artikkelissaan siitä, miten he olivat ensimmäistä kertaa onnistuneet kloonaamaan ihmissoluja. Artikkelin mukaan alkiorakkulat kehittyivät tumansiirron jälkeen neljänteen tutkimuspäivään asti.
Kun verrataan kloonattuja alkiokantasoluja aikuisiin, useakykyisiin kantasoluihin, on kloonattujen alkiokantasolujen etuna niistä kasvatettavien kudoslajien ainakin toistaiseksi suurempi kirjo. Kun taas verrataan kloonattuja alkiokantasoluja muihin vieraisiin, jo olemassa oleviin alkiokantasoluihin (esim. koeputkihedelmöitysten ylimääräisiin alkioihin), on alkiovaiheessa kloonattujen kantasolujen etuna niiden lähes täydellinen geneettinen vastaavuus potilaan solujen kanssa (potilaan genomista eroaa vain vieraan munasolun luovuttajan mitokondrion genomi, joka muodostaa noin 0,002 % kokonaisgenomista). Huomattava geneettinen  vastaavuus tekee vastaanottajan kehossa tapahtuvan hylkimisreaktio epätodennäköiseksi. Terapeuttiseen kloonaukseen liittyviä riskejä – kuten kantasolujen mahdollisesti aiheuttamia kasvaimia (syöpää) – ei ole vielä arvioitu, mikä pitäisi tehdä ennen kuin keinoa hyödynnetään ihmisten hoidossa.

Reproduktiivinen kloonaus

Reproduktiivisessa eli lisääntymistavoitteisessa kloonauksessa alkio kehittyy sijaiskohdussa.
Tumansiirron avulla on onnistuttu kloonaamaan jo monia nisäkkäitä. Eläinlajeja, joita on onnistuttu kloonaamaan: laboratoriohiiret ja -rotat, nautaeläimet, vuohet, siat, kanit, kotikissat (CopyCat), afrikanvillikissa (Felis silvestris lybica), valkohäntäpeura, bantengi, eurooppalainen mufloni (Ovis aries musimon) ja gauri. Kuuluisuuteen nousi skotlantilainen Dolly-lammas, joka täytyi lopettaa helmikuussa 2003 vaikean keuhkokuumeen takia. Kuusivuotiaaksi elänyt Dolly ei elänyt niin vanhaksi kuin lampaat yleensä, mutta silti se jo kärsi vanhoille lampaille tyypillisistä sairauksista, keuhkokuumeen lisäksi myös reumasta. Italiassa syntyi vuonna 2003 Prometea, maailman ensimmäinen kloonattu hevonen, ja Etelä-Koreassa syntyi vuonna 2005 ensimmäinen kloonikoira Snuppy. Kaksi vuotta myöhemmin kantasolututkijat onnistuivat kloonaamaan ensimmäisen reesusapinan. Nykyään kloonataan ennen kaikkea menestyneitä siitoshevosia. Etelä-Koreassa syntyi vuonna 2008 seitsemän kloonattua huumekoiraa, joista ainakin eteläkorealaiset tulliviranomaiset toivovat yhtä menestyksekkäitä kuin alkuperäisestä kultaisestanoutajasta, Chasesta.
Tulokset ovat kuitenkin olleet vähäisiä, sillä kehittyneiden organismien määrä suhteessa soluille tehtyjen tumansiirtojen määrään on jäänyt pieneksi. Alle sadasosa hedelmöittyneistä munasoluista kehittyy alkioksi ja sikiöksi ja syntyy terveenä. Syynä suureen epäonnistumisosuuteen pidetään epigeneettisiä ilmiöitä, esimerkiksi geneettistä leimautumista. Ihmisiä ei ole tähän mennessä kloonattu. 
Tätä kloonaustekniikka on käytetty 1990-luvulta saakka, ja se on mahdollistanut erityisesti tärkeiden kasvatuseläinten ja viljelykasvien yhdenmuotoisen moninkertaistamisen ilman jalostukselle tyypillisiä muutoksia. 
Vuonna 2006 ilmestyi Archives of Andrology -lehdessä artikkeli, jossa Karl Illmensee  ja Panos Zavos raportoivat siirtäneensä miehen ihosoluja alkioon, mutta raskaus päättyi varhaiseen keskenmenoon.  Vuosina 2004 ja 2005 kloonialkioita istutettiin viiden muun naisen kohtuun, mutta yhtäkään raskautta ei saatu onnistumaan.
Tammikuussa 2018 uutisoitiin, että Kiinan tiedeakatemia on onnistuneesti kloonannut kaksi makaki-apinaa. Apinat kloonattiin samalla menetelmällä, kuin Dolly-lammas. Apinoilla tutkitaan perinnöllisiä tauteja, ja yritetään löytää niihin parannuskeinoja. Makaki-apinat ovat ensimmäiset kädelliset, jotka on onnistuneesti kloonattu.

Kloonaus kuolleista soluista

Japanissa Koben Riken-instituutissa tehdyssä kokeessa onnistuttiin kloonaamaan terveitä yksilöitä käyttäen soluja, joita oli säilytetty pakastimessa 16 vuoden ajan. Hiiret oli jäädytetty -16 celsiuksen säilytyslämpötilaan ilman erityisvalmisteluja. Solut olivat oletetusti kuolleita, mutta niistä pystyttiin poimimaan tumia. Tumat ruiskutettiin tyhjennettyihin munasoluihin, joista kehittyi alkioita ja edelleen kantasolulinjoja sekä lopulta eläviä hiiriä. Paras onnistumisprosentti saatiin aivosoluista.
Perinteisesti on oletettu, että jäädyttäminen rikkoo veden kiteytymisen vuoksi solurakenteen ja DNA:n käyttökelvottomaksi. 
Koska uusi menetelmä ei vaadi ehjää luovuttajasolua, sitä voisi periaatteessa käyttää uhanalaisten tai jo sukupuuttoon kuolleiden lajien palauttamiseen kloonaamalla niiden jäisistä jäänteistä. Uutta tekniikkaa voidaan myös käyttää esimerkiksi maasta löytyvien jäätyneiden mammuttien tutkimiseen, mutta varsinaisten mammuttikloonien tekeminen ei onnistu, koska perimän lisäksi tarvitaan muun muassa tuore mammutin solu, mihin tuma siirrettäisiin.

Tutkimuslaki

Vuonna 1999 voimaan tullut laki lääketieteellisestä tutkimustoiminnasta (488/1999) säätelee ihmiseen ja ihmisen alkioon kohdistuvaa lääketieteellistä tutkimusta. Lakiin on kirjattu keskeisiä edellytyksiä tutkimuksen suorittamiselle muun muassa tutkijan pätevyydestä ja tutkittavalta vaadittavasta suostumuksesta. Alaikäisiin, kehitysvammaisiin ja vankeihin kohdistuvasta tutkimuksesta on erityissäännöksiä. Tätä lakia täydennettiin EU:n lääketutkimus-direktiiviä (2001/20/EY) vastaavaksi 1. toukokuuta 2004 voimaan tulleilla muutoksilla.

Laki muualla

Vuonna 2005 reproduktiivinen kloonaus oltiin yksimielisesti kieltämässä ympäri maailmaa, kun taas terapeuttisesta kloonauksesta käytiin kiihkeätä väittelyä, joka jätettiin YK:n ratkaistavaksi. YK:n oikeuslautakunta ei päässyt yksimieliseen sopimukseen asiasta, koska noin 60 valtiota Costa Rican ja Yhdysvaltain johdolla halusi kieltää terapeuttisten kloonien käytön maailmanlaajuisesti. Vähän kannatusta sai myös Belgian vastakkainen ehdotus, jonka mukaan hoitotavoitteisten kloonien käyttö voitaisiin vapauttaa yksittäisissä valtioissa. Belgian ehdotus ei saanut vaadittua kahden kolmasosan enemmistöä tuekseen ja 8. maaliskuuta 2005 annettiin sitomaton julistus, jolla asia jätettiin ratkaisematta.

Kloonit taiteessa ja kirjallisuudessa

Ennen kaikkea lukuisissa tieteiselokuvissa reproduktiivinen kloonaus esiintyy usein lajin suvunjatkamisen keinona. Aldous Huxleyn romaanissa Uljas uusi maailma sivilisoitunut yhteiskunta koostuu ainoastaan eri tavoin kehitetyistä klooneista, ja Tähtien sota -elokuvissa valmistetaan miljoonia kloonisotureita. 
Yhdysvaltalainen elokuva The Island kertoo klooneista, joita manipuloidaan ja käytetään loppujen lopuksi niin sanottujen alkuperäisten ihmisten varaosina.