В Японии появились мышата, полученные от двух самцов без генетического материала самок. В предыдущих экспериментах для этого ученым все-таки нужна была яйцеклетка — в нее пересаживали ядра из отцовских клеток. Теперь биологи научились обходиться без нее: яйцеклетку вырастили прямо из клетки самца. О своей пока не опубликованной работе исследователи рассказали на Третьем международном саммите по редактированию человеческого генома.
Обновлено: в марте 2023 года статья была опубликована в журнале Nature. После публикации мы добавили в текст изображения из статьи и уточнили некоторые детали метода (так, оказалось, что для выращивания яйцеклеток ученые использовали «готовые» фолликулярные клетки из яичника обычных мышей).
Получить потомство от двух самцов млекопитающих довольно сложно. До сих пор это удалось только одной группе ученых в 2018 году — и то новорожденные мышата прожили всего несколько дней. На пути к успеху здесь стоят два препятствия.
Первое — это геномный импринтинг (подробнее о нем в материале «Половинка себя»). Обычно в зародыше выключены некоторые материнские и некоторые отцовские гены, активна только вторая копия от другого родителя. Если взять хромосомы от родителей одного пола, то некоторые гены будут полностью молчать, а другие, наоборот, работать вдвое сильнее положенного.
Второе — это яйцеклетка, без которой ничего не получится. Чтобы хромосомные наборы от двух особей объединились в один и запустили развитие эмбриона, их нужно поместить внутрь яйцеклетки. В работе 2018 года ученые взяли яйцеклетку от самки-донора, убрали оттуда собственный генетический материал и подсадили ядро сперматозоида от одного самца и ядро гаплоидной стволовой клетки (то есть с одинарным набором хромосом) от другого. При этом потомству все равно досталась ДНК от трех особей — потому что от самки мышата унаследовали митохондрии с митохондриальным геномом.
Группа Кацухико Хаяси (Katsuhiko Hayashi) из Университета Кюсю решила преодолеть оба препятствия сразу. Хаяси и его коллеги давно учатся получать яйцеклетки без участия самки-донора: например, в 2021 году они собрали фолликул яичника из стволовых клеток и вырастили в нем яйцеклетку мыши (тоже из стволовых клеток). Для этой технологии можно придумать множество применений, как практических так и теоретических (об этом наш текст «Мама из пробирки»), — и она же могла бы помочь с рождением мышат от двух отцов. Если научиться выращивать яйцеклетки напрямую из стволовых клеток самца, то, с одной стороны, не будет потребности в самках, а с другой стороны, не будет проблем с импринтингом — поскольку по мере развития гены в яйцеклетке будут импринтироваться по женскому типу.
Исследователи начали с того, что взяли клетки у взрослых самцов и репрограммировали их в индуцированные плюрипотентные клетки (аналог эмбриональных). Затем в их X-хромосомы с помощью системы CRISPR/Cas встроили ген красного флуоресцентного белка — это нужно, чтобы эти хромосомы было просто посчитать (чем ярче клетка светится, тем их больше).
Так ученые меняли пол на клеточном уровне: заставили клетки сначала потерять Y-хромосому, а потом приобрести дополнительную X / Murakami et al. / Nature, 2023
Дальше нужно было избавиться от Y-хромосомы, которая мешает вырастить яйцеклетку. Группа Хаяси решила делать это самым простым путем: если размножать клетки в культуре, какое-то количество само по себе эту хромосому теряло (поскольку Y-хромосома самая маленькая, с ней это бывает часто; в организме взрослых людей такое тоже регулярно случается). В японском эксперименте таких было 1,1 процента клеток.
Затем ученые отобрали клетки с одной X-хромосомой и обработали их реверсином — веществом, которое тормозит расхождение хромосом при делении. В некоторых клетках это привело к тому, что не расходились именно X-хромосомы — и получались клетки с двумя X-хромосомами, их отобрали по силе флуоресценции. То есть мужские клетки таким образом превратились в женские.
Дальше биологи двигались по ранее отработанному протоколу: из этих стволовых клеток получили предшественники яйцеклеток. У обычных мышей взяли фолликулярные клетки, собрали из них фолликулы и дорастили предшественники до настоящих яйцеклеток: по словам Хаяси, в результате этой процедуры полноценные яйцеклетки развивались с такой же эффективностью, как если бы ученые взяли обычные стволовые клетки с исходным генотипом XX. Полученные яйцеклетки оплодотворили сперматозоидами другого самца мыши, а эмбрионы перенесли суррогатным матерям.
Яйцеклетки, которые выросли из клеток самцов. Сверху — световая микроскопия, в яйцеклетках можно рассмотреть генетический материал, а снаружи от них маленькие пузырьки — это полярные тельца, результат успешного мейоза. Снизу — в яйцеклетках светится синий флуоресцентный белок, сшитый с белком-маркером половых клеток / Murakami et al. / Nature, 2023
Из 630 перенесенных зародышей прижились и родились 7 детенышей. Все они выглядели здоровыми и не отличались от обычных мышат по собственному весу и весу плаценты. Это означает не только, что новорожденные были здоровы, но и что у них не возникло проблем с импринтингом, потому что при этом детеныши или плохо развиваются, или, наоборот, вырастают больше нормы. Со временем, по словам Хаяси, мышата от двух самцов превратились в обычных взрослых мышей, и были фертильны — то есть, скорее всего, не несли в себе хромосомных аномалий.
Сверху — подросшее потомство от двух самцов, снизу — один из представителей этого потомства (серый, справа), который сам стал отцом, и его детеныши / Murakami et al. / Nature, 2023
Новорожденные мышата и их плаценты / Murakami et al. / Nature, 2023
Таким образом ученые создали детенышей, которые не несут никакого генетического материала от самок. Правда, полностью без самок справиться все равно не удалось — зародышам нужны суррогатные матери, — зато получилось обойтись без их яйцеклеток. Кроме того, потребовались фолликулярные клетки от донора — но у группы Хаяси есть наготове способ их заменить. Можно ожидать, что дальше исследователи попробуют перейти к экспериментам с человеческими зародышами. Но там препятствий будет куда больше: пока никто не умеет выращивать человеческую яйцеклетку даже из обычных клеток с подходящим набором хромосом.
Мы уже рассказывали о том, как Хаяси и его коллеги пытаются применить свою методику для спасения северных белых носорогов. А о том, почему может теряться Y-хромосома и что мы теряем вместе с ней, читайте в материале «Полураспад Адама».
Полина Лосева
Заглавное изображение: Pinky and the brain / Amblin Television & Warner Bros. Animation, 1995-1998
