Aby stworzyć ssaka, potrzebujesz jajka i nasienia. Te dwa wymagane wkłady genetyczne w przeszłości oznaczały niepowodzenie w próbach uzyskania potomstwa ze związków męsko-męskich lub żeńsko-żeńskich. Ale zacierając granice między komórkami jajowymi a nasieniem za pomocą zmian genetycznych, naukowcy pomagają nam łamać zasady rozmnażania ssaków.
Wczoraj w czasopiśmie Cell Stem Cell zespół naukowców z Chińskiej Akademii Nauk doniósł o urodzeniu zdrowego potomstwa rodzicom myszy tej samej płci. Modyfikując genomy jaj, aby przypominały plemniki i odwrotnie, naukowcy byli w stanie pokonać poważną przeszkodę w reprodukcji biologicznej. Szczenięta ze związków kobiet i kobiet przetrwały dobrze w wieku dorosłym, nawet same same matki, a krótkotrwałe dzieci zostały powitane przez duet tata-tata.
„To niesamowicie imponujące” - mówi Ava Mainieri, biolog, który studiuje genetykę reprodukcji na Uniwersytecie Harvarda. „Ta technologia ma około miliona implikacji na przyszłość.”
Naukowcom udało się przezwyciężyć długotrwałe wyzwanie związane z produkcją ssaków z rodzicami jednej płci. Zazwyczaj zarodek ssaka potrzebuje dwóch genomów, z których każdy zawiera rękopis instrukcji genetycznych od matki lub ojca. W ten sposób płód dziedziczy dwie kopie każdego pojedynczego genu. Ale w przypadku wielu genów kopia mamy lub taty milczy. Całe regiony jednego genomu można zamknąć, podczas gdy te same części kodu genetycznego od drugiego rodzica pozostają nienaruszone.
„Jeśli nukleotydy DNA są tekstem, [te naturalne modyfikacje] można traktować jako spacje lub interpunkcję, które nadają sens tak skomplikowanemu tekstowi”, wyjaśnia Mainieri, który nie był zaangażowany w badania.
Dumna mama mysz ze swoim potomstwem. Mysz-matka na tym zdjęciu urodziła się dwóm matkom i żyła tym, co naukowcy uważali za normalne, zdrowe życie. (Le-Yun Wang / Chińska Akademia Nauk) Wyzwanie polega na tym, że te przestrzenie i znaki interpunkcyjne w każdym genomie muszą się prawidłowo ułożyć - coś, co dzieje się naturalnie u rodziców płci męskiej i żeńskiej. To wybredne zjawisko nazywa się odciskaniem genomu i ma kluczowe znaczenie dla reprodukcji ssaków. Jeśli kopie jednego z tych normalnie „odciśniętych” genów obojga rodziców zostaną przypadkowo włączone, konsekwencje mogą być katastrofalne, wytwarzając płody wielkości balonu, walcząc o zdobycie składników odżywczych, a nawet nie osiągając żadnego terminu.
Dla naukowców próbujących rozmnażać ssaki z rodzicami tej samej płci konieczny proces odciskania genomu stanowi poważną przeszkodę. Mniej więcej w połowie XX wieku, kiedy naukowcy podjęli pierwsze próby produkcji embrionów myszy z dwoma genomami kobiet, matematyka łączenia jaj nie zajęła dużo czasu. Obie połowy instrukcji genetycznych odzwierciedlały matczyne odciskanie, dezaktywację i aktywację tych samych regionów genomu - i bez ojcowskiej części równania, niektóre geny były nadeksprymowane, podczas gdy inne nigdy nie były odpowiednio włączone.
Niedawno grupa badaczy z Chińskiej Akademii Nauk pod kierownictwem starszych autorów Wei Li, Qi Zhou i Bao-Yang Hu postanowiła wypróbować nowy zestaw narzędzi do rozwiązania tego problemu. Maksymalizacja szans na urodzenie zdrowego potomstwa od rodziców tej samej płci oznaczała rozpoczęcie od możliwie najmniej odciśniętych komórek - komórek, które nie miały jeszcze interpunkcji w kodzie genetycznym. Tak więc naukowcy wygenerowali niezwykły zestaw jaj i nasienia, usuwając niektóre odciskane ślady na genomie, zasadniczo cofając czas na tych komórkach rozrodczych, aż do momentu, gdy przypominały pierwszy niezredagowany szkic genetyczny manuskryptu.
Uzbrojeni w arsenał „czystych” komórek naukowcy postanowili wyhodować dwumożne myszy. Aby naśladować męskość, dodali własną wersję odcisków ojcowskich do czystej komórki jajowej, wycinając trzy znane odciskane regiony z genomu. Technika ta zasadniczo usunęła całe akapity lub rozdziały z rękopisu genetycznego komórki jajowej, przekształcając ją w komórkę rozrodczą, która działała bardziej jak nasienie. Następnie wstrzyknęli nowo zmanipulowaną komórkę do normalnego jajka od innej samicy myszy.
Ku ich zdziwieniu 14 procent tych dwumiesięcznych zarodków - w sumie 29 myszy - urodziło się zdrowymi samicami (bez chromosomu Y w mieszance reprodukcyjnej, samce były gwarantowanym brakiem). Kilka dwumiesięcznych myszy dorastało nawet w celu urodzenia własnych zdrowych szczeniąt (tym razem dzięki bardziej naturalnym środkom poczęcia). O ile naukowcy mogli stwierdzić, myszy bez ojca były zdrowe fizycznie i behawioralnie - ale Zhou wskazuje, że mogą występować wady myszy, których zespół jeszcze nie odkrył.
Przed nami jeszcze większe wyzwanie - dwunożne myszy. Szczenię myszy z dwiema matkami zostało wyhodowane po raz pierwszy w 2004 r. (Choć ze znacznie niższymi wskaźnikami sukcesu niż najnowsze prace). Myszy bez ojca były poniekąd starymi wiadomościami. Z drugiej strony myszy pozbawione matek byłyby „niesamowite”, mówi Hugo Creeth, którego niezwiązana praca na Uniwersytecie w Cardiff koncentruje się również na nadruku genetycznym.
Według jednego z biologów zajmujących się rozwojem z University of Pennsylvania, Marisa Bartolomei, jednym z głównych wyzwań związanych z narodzinami myszy z materiałem genetycznym jest to, że na genomie mamy musi znaleźć się znacznie więcej informacji, które pozwolą mu prawidłowo połączyć się z ojcem. Wymagana dodatkowa praca sprawiająca, że genom męski zachowuje się tak, jak genom żeński, może być jednym z powodów, dla których rozmnażanie płciowe w naturze skłania się w kierunku połączeń między kobietami i kobietami. (Podczas gdy niektóre gady, płazy i ryby są zdolne do kojarzenia wyłącznie przez samice, tylko jeden gatunek - danio pręgowany - kiedykolwiek urodził potomstwo bez wkładu matki i tylko w laboratorium).
„[Wydaje się, że] w porównaniu do reprodukcji dwurodzicielskiej, należy pokonać więcej przeszkód na drodze do bariery reprodukcji dwujęzycznej”, mówi Li.
Pomimo wyzwań naukowcy byli w stanie wygenerować żywe potomstwo przy użyciu tylko DNA od dwóch męskich rodziców. Zmodyfikowana komórka nasienia została usunięta z sześciu regionów genetycznych, aby bardziej przypominała żeński genom, a następnie została połączona z normalnymi plemnikami w pustym żeńskim jaju. (Puste lub nie, komórka jajowa jest nadal konieczna do połączenia nasienia i nasienia.) Te dziwne hybrydowe zarodki - dosłowne skorupy jaj zawierające podwójne dawki ojcowskiego DNA - zostały następnie przeniesione do matki zastępczej myszy.
Naukowcy mogą hodować myszy z dwoma ojcami, ale rodzą się z poważnymi wadami i nie przetrwają do wieku dorosłego. (Le-Yun Wang / Chińska Akademia Nauk) Przeżyło nieco ponad jeden procent potomstwa. Niestety wszystkie szczenięta urodziły się z poważnymi wadami i zmarły niemal natychmiast. Kiedy naukowcy usunęli siódmy odcisk regionu z edytowanych komórek plemników, podwoili wskaźnik przeżycia. Szczenięta nadal nie dorastały, ale mimo to metoda zadziałała, a krótkotrwała żywotność potomstwa była monumentalna.
„To naprawdę pokazuje, że odcisk jest przeszkodą w rozwoju jednoosobowym”, mówi Bartolomei. „Znaliśmy to z matczynej perspektywy, ale teraz, z dwunarodowymi, jest to pierwszy raz”.
Według Li następnym krokiem jest poprawa długowieczności myszy dwurodzicielskich. Nadal nie jest jasne, co zabija myszy dwójką genetycznych ojców - możliwe, że istnieją inne regiony z krytycznym piętnem, które wciąż wymagają genetycznego „zarządzania”, mówi Bartolomei.
W rzeczywistości jest to trochę dziwne, że tak mało manipulacji genetycznych wystarczyło, aby przekształcić genom jednej płci w coś podobnego do drugiego. Istnieje ponad 150 genów, które mają być odciskane na myszach - a lista stale się powiększa - ale nie każdy z tych genów ma kluczowe znaczenie dla urodzenia żywego potomstwa.
Podczas gdy nowatorska technika modyfikacji genetycznej działała na hodowlę myszy jednopłciowych, Mainieri ostrzega, że powtórzenie tych eksperymentów u innych ssaków, w tym ludzi, wymagałoby „ogromnego, ogromnego kroku”. Chociaż Li, Zhou, Hu i ich koledzy chętnie kiedyś przeniosą się na naczelne, nie ma gwarancji, że znaczniki w rękopisie genetycznym jednego gatunku łatwo przełożą się na rękopis innego.
Jednak te nowe odkrycia oznaczają przełom w zrozumieniu przez naukowców roli odciskania genomowego w reprodukcji ssaków. Dodatkowo istnieje kilka zaburzeń, które wynikają z niewłaściwego odciskania w genomie - więc nawet jeśli dzieci bez matki lub bez ojca nie są na horyzoncie, po prostu zrozumienie tych dziwactw genetycznych może zmienić nasze podejście do medycyny.
„Dzięki tej wiedzy jesteśmy w stanie czytać zdania lub akapity [tekstu genomowego] w sposób, którego nigdy wcześniej nie mieliśmy” - mówi Mainieri. „I to jest ogromne”.
