Новые комбинации генов, возникающие на основе механизмов кроссинговера, редукционного деления, случайного распределения гамет при мейозе и слияния яйцеклетки и спермия, проявляются в процессе созревания гамет и их оплодотворения. При этом распределение генов по гаметам в процессе созревания последних происходит случайно и подчиняется закону менделевского расщепления.
Таким образом, механизм полового процесса направлен на поддержание необходимого генетического разнообразия в популяции животных. В то же время половой процесс, обеспечивая для сохранения и эволюции популяции генетическое разнообразие, препятствует точному воспроизведению и размножению генетически ценных животных, создаваемых в результате целенаправленной многолетней селекционной работы. Такие выдающиеся животные не передают потомкам ценные генетические комбинации. Поэтому в селекции и разведении животных возникает важная проблема — разработка методов получения потомков, которые были бы точной генетической копией выдающихся животных, их клонами.
Под клоном понимают генетически однородных потомков одной исходной особи, образующихся в результате бесполого размножения. Многочисленные потомки исходной особи имеют идентичный генотип. Однако, нужно иметь в виду, что животные, полученные в результате клонирования, не могут образовывать чистые линии, в которых, как известно, отсутствует генетическая изменчивость, и селекция не дает эффекта. Клоны животных отличаются от чистых линий в первую очередь тем, что при одинаковой в обоих случаях фенотипической однородности в чистых линиях все ее гены гомозиготны, тогда как в клонах они в сильной степени гетерозиготны.
Для создания генетических копий сельскохозяйственных животных на базе клеточной инженерии разрабатываются методы клонирования: пересадка ядер соматических клеток в энуклеированную яйцеклетку; индуцирование партеногенеза, позволяющего полностью передавать потомкам генотип одного из родителей. Наиболее перспективно клонирование сельскохозяйственных животных путем трансплантации извлеченных из соматических клеток ядер в энуклеированные яйцеклетки. Любая дифференцированная соматическая клетка содержит полный набор генов, свойственных данному животному. Установлено, что карпиотип дифференцированных клеток не отличается от кариотипа оплодотворенной яйцеклетки - зиготы, из которой они произошли.
У растений соматическая клетка после дифференцирования, в результате которого между клетками возникают морфофизиологические различия, подобно половым клеткам, способна развиваться во взрослый организм, то есть, является тотипотентной. Тотипотентная клетка содержит всю генетическую информацию, необходимую для полного развития организма,
У животных соматические клетки после стадий морулы или бластулы не проявляют свойств тотипотентности. В процессе морфогенеза соматические клетки дифференцируются, то есть происходит дифференциальная транскрипция генома в разных клеточных системах. В результате дифференцированная клетка теряет тотипотентные свойства, что связано не с утерей генов или генома, а с глубокой и стабильной репрессией или инактивацией части генома. Механизм этого процесса полностью не изучен, поэтому ограничивается использование ядер дифференцированных клеток в клонировании животных.
Впервые эксперименты по изучению генетических потенций ядер соматических клеток были проведены в начале 20 века на тритонах. При наложении лигатуры (тонкого волоса) на оплодотворенное яйцо его ядро переходило в одну половинку цитоплазмы. При этом начала дробиться та часть яйца, где находилось ядро. Однако, если ослаблением лигатуры направить ядро бластомера - 16 - клеточного зародыша - в безъядерную часть яйца, то и в этой половине начинается дробление. Следовательно, каждая половина зиготы формировала нормальный 16-клеточный зародыш. Этим было доказано, что ядро 16-бластомерного зародыша тотипо-тентно.
В 1952 г. американские исследователи Р.Бригтс и Т.Кинг, разработав новую технику пересадки, осуществили трансплантацию ядер соматических клеток зародышей в энуклеированные яйцеклетки лягушек Суть проводимых экспериментов сводилась к тому, что с помощью микропипеток из яйцеклеток шпорцевой лягушки удаляли ядра, а вместо них пересаживали ядра из клеток эмбрионов, находящихся на разных стадиях развития. Было продемонстрировано, что ядра ранних эмбрионов в стадиях поздней бластулы и даже ранней гаструлы обладают тотипотентньгми свойствами, обеспечивающими нормальное развитие эмбрионов, а в дальнейшем и взрослых лягушек. В то же время при пересадке ядер из более дифференцированных соматических клеток поздней гаструлы нормального развития эмбрионов не наблюдалось.
Дж. Гердон, усовершенствовав технику клонирования, впервые получил генетически идентичных половозрелых позвоночных животных. Так, ядра из клеток эпителия кишечника головастика, пересаженные в энуклеированные яйцеклетки шпорцевой лягушки, вызывали развитие генетических копий эмбрионов и взрослых лягушек. Трансплантация ядер из сильнодифференцированных клеток кожи лягушек привела в 5% случаев к получению генетических клонов головастиков. Однако, использование ядер соматических клеток взрослых лягушек не привело к развитию клонов до взрослых особей. Можно заключить, что ядра из клеток взрослых животных и даже поздних эмбрионов по неясным пока причинам утрачивают свои потенции.