Дефект при гризачите без майка - растат прекалено много и умират млади
Мишки с двама бащи не само са се родили, но и са достигнали зряла възраст. Забележителното научно постижение е в резултат на серия от експерименти, проведени в Китай.
Екипът, постигнал революционния успех в генното инженерство на бозайниците, е ръководен от молекулярния биолог Жи-кун Ли от Китайската академия на науките (КАН) в Пекин. Изследователите са използвали прецизно инженерство на стволовите клетки, наречено CRISPR, за да създадат мишките, съобщава MIT Technology Review. Това е изцяло нов подход за преобразяване на гени, които обикновено трябва да бъдат наследени и от мъжки, и от женски родители. Следващата цел на екипа е да използва същия метод, за да създаде примати с двама бащи.
Създаването на бозайник с двама бащи ни помага да разберем по-добре странния биологичен феномен, известен като импринтинг, който кара определени гени да се изразяват по различен начин в зависимост от това дали са дошли от майката, или от бащата. Животните получават определена “доза” от всеки родител. Те трябва да работят в хармония, за да се създаде здрав ембрион. Без двете дози генната експресия може да се обърка и получените ембриони да се окажат с аномалии.
Именно това се е случило при предишните опити за създаване на мишки с двама бащи. През 80-те години на миналия век учени от Обединеното кралство се опитват да инжектират ДНК-съдържащото ядро на сперматозоид в оплодена яйцеклетка. Получените ембриони имали ДНК от двама мъжки екземпляра, но и малко количество ДНК от женски - в цитоплазмата на яйцеклетката. И когато тези ембриони били прехвърлени в утробите на сурогатни майки, нито един от тях не се родил успешно. Причината е, че за развитието на ембриона са необходими импринтирани гени както от бащиния, така и от майчиния геном.
Ли и колегите му предприемат различен подход. Екипът решава да редактира гените, за да премахне напълно импринтираните, които са около 200 от тези на мишките. Учените обаче се фокусират само върху 20, за които е известно, че са важни за развитието на ембриона.
Как точно са създали мишките?
За да създаде здрави мишки с ДНК от двама мъжки екземпляра, екипът събира клетки с ДНК от сперматозоиди, от които извлича стволови клетки в лабораторията си. След това учените използват CRISPR, за да променят 20-те импринтирани гена, към които са се насочили.
Тези генноредактирани клетки са инжектирани заедно с други сперматозоиди в яйцеклетки, чиито ядра са били отстранени. В резултат се получават ембрионални клетки с ДНК от две мъжки мишки. След това тези клетки се инжектират в “обвивка на ембриона”, използвана в научните изследвания. Тя осигурява клетките, необходими за създаването на плацента. Впоследствие получените ембриони се прехвърлят в матката на женски мишки.
Експериментът проработва. Някои от ембрионите успяват да се родят и дори оцеляват до зряла възраст. Резултатите са публикувани в списание Cell Stem Cell.
“Вълнуващо е”, споделя Котаро Сасаки, биолог по развитието в Университета на Пенсилвания, който не е участвал в работата. Ли и екипът му не само са успели да избегнат редица дефекти на импринтинга, но техният подход е вторият начин, който учените са открили за създаване на мишки, използвайки ДНК само от мъжки индивиди.
Откритието се основава на изследванията на Кацухико Хаяши от Университета в Осака, Япония, и неговите колеги. Преди няколко години екипът представи доказателства, че е открил начин да вземе клетки от опашките на възрастни мъжки мишки и да ги превърне в незрели яйцеклетки. Те могат да бъдат оплодени със сперматозоиди, за да се създадат ембриони от двама бащи. Мишките, родени от тези ембриони, могат да достигнат зряла възраст и да имат свое собствено потомство, казва Хаяши.
Но по-сложният подход на екипа на Ли не е бил толкова успешен. Поначало само малка част от мишките са оцелели.
Екипът е разполагал със 164 генноредактирани ембриона, но са се родили само седем живи. И
тези, които се родили, също не били напълно нормални
Те пораснали по-големи от обикновените мишки - органите им също са били уголемени. Не живели толкова дълго, колкото нормалните мишки, и са били безплодни.
Поради тази причина подобни експерименти с хора на този етап остават само мираж, защото би било неетично да се правят такива рискови изследвания с човешки клетки и ембриони.
Възможно ли е да се създаде човек с двама родители от един биологичен пол?
Ако някога се проведе успешен експеримент с хора, това ще доведе до революция в лечението на безплодието. Така например в хомосексуалните отношения и двамата мъже биха могли да бъдат биологични родители на децата си - единият би предоставил сперматозоиди, а другият - плурипотентни стволови клетки, които след една от двете процедури (на японските или на китайските изследователи) биха произвели яйцеклетки. Те биха могли да бъдат оплодени инвитро и износени от жена чрез сурогатно майчинство.
По подобен начин двойка жени също би могла да има биологични деца, като едната от тях предоставя яйцеклетки, а другата - плурипотентни стволови клетки, които в крайна сметка произвеждат сперматозоиди. Всяка от двете жени може да зачене получения ембрион, а родените деца ще бъдат биологични и на двете, пише The Conversation.
“Редактирането на 20 импринтирани гена при хората не би било приемливо, а създаването на индивиди, които не биха могли да бъдат здрави или жизнеспособни, просто не е възможно”, смята обаче Ли.
“Съществуват множество проблеми”, пояснява и Сасаки. Като начало много от техническите лабораторни процедури, използвани от екипа, не са подходящи за човешки клетки. “Но дори и да имахме такива, този подход щеше да бъде опасен - изключването на човешки гени може да има неописуеми последици за здравето на индивидите. Има страшно много пречки”, казва той.
Експериментите с хора все още са доста далеч. Въпреки това работата с мишки може да хвърли малко повече светлина върху мистериозното явление импринтинг. Предишни изследвания показват, че мишките с две майки се раждат по-малки, но живеят по-дълго от очакваното, докато най-новото изследване показва, че тези с двама бащи умират по-бързо. “Може би бащините импринтирани гени подпомагат растежа, а майчините го ограничават и животните се нуждаят и от двата, за да достигнат здравословен размер”, предполага Сасаки.
Две майки са по-възможни от двама бащи
Още през 2004 г. изследователи в Япония за първи път успяват да създадат мишки с две майки и без биологичен баща, но размножаването без нужда от сперматозоиди е по-лесно, отколкото размножаването без яйцеклетка, пише Science Alert.
Това е така, защото яйцеклетката съдържа ключови клетъчни механизми, хранителни вещества и способност да индуцира всеки тип клетки в организма на възрастния човек. В природата някои животински видове могат да се възпроизвеждат дори без сперматозоиди, което превръща ембриона в чист клонинг на майката.
Неслучайно в природата няма пример за животно с двама бащи. В сравнение с яйцеклетката зрелите сперматозоиди не могат да се делят на други клетки. За да се преборят с това, учените е трябвало да създадат яйцеклетки от мъжки ембрионални стволови клетки и след това да ги оплодят, използвайки сперматозоиди от друг мъжки. Преди оплождането изследователите са модифицирали импринтинг гените, за да се гарантира, че в потомството ще бъде проявено само едно копие от всеки ген.
Обикновено, когато мъжки сперматозоид оплоди женска яйцеклетка, има удвояване на гените, което означава, че едната половина от всяка двойка трябва да бъде заглушена.
Когато обаче генетичният материал идва от два сперматозоида, това често може да доведе до ефект на двойно заглушаване, при който двете копия на даден ген се анулират по погрешка, което води до нарушения в развитието.
Това се нарича аномалия на импринтинга и се получава, тъй като регулирането на определени гени или хромозомни области зависи от приноса на мъжкия и женския родител.
Авторите на изследването казват, че макар да им предстои още много работа, това постижение ще помогне на учените да разберат по-добре вродените нарушения при хората, причинени от подобни генетични проблеми.
“По-нататъшните модификации на импринтиращите гени потенциално биха могли да улеснят генерирането на здрави двуполови мишки, способни да произвеждат жизнеспособни гамети, и да доведат до нови терапевтични стратегии за заболявания, свързани с импринтирането”, казва Ли.
Въпреки че постижението на екипа е значимо, Ли признава, че изследването му се е сблъскало с много препятствия по пътя си. Един от основните проблеми е сравнително ниският процент на успеваемост на техния подход - само 11,8% от жизнеспособните ембриони се развиват до раждането. Освен това сред родените ембриони много от тях не оцеляват до зряла възраст, а тези, които успяват, често имат аномалии и по-кратка продължителност на живота.
Бъдещите изследвания на екипа вероятно ще се съсредоточат върху преодоляването на тези ограничения и подобряването на цялостната жизнеспособност и здравето на потомството. Те също така възнамеряват да разширят изследванията си с по-големи животински модели, като например маймуни, за да проверят осъществимостта и безопасността на своя подход при по-сложни организми. Крайната цел са изследванията с хора. Но въпросът е кога?
