Внуки стволовой клетки

С момента открытия стволовых клеток и их универсальной способности развиваться в любые другие клетки организма ученые думали над получением из них половых клеток. Такое открытие произвело бы революцию в лечении бесплодия — любой человек, независимо от возраста, состояния здоровья и даже наличия половых органов, мог бы иметь своего в генетическом отношении ребенка. Однако половые клетки настолько отличаются от всех остальных, что даже теоретическая возможность их получения «в пробирке» вызывала обоснованные сомнения.

И вот, 25 февраля 2016 года публикация в журнале Cell развеяла эти сомнения. Китайским исследователям удалось получить из эмбриональных стволовых клеток сперматозоиды, подходящие для экстракорпорального оплодотворения. В эксперименте использование этих клеток для зачатия привело к появлению здорового потомства, способного к размножению. До этого вырастить функциональные половые клетки вне организма никому не удавалось.

Немного школьной программы

У любого многоклеточного животного, размножающегося половым путем, есть два принципиально разных типа клеток: половые клетки, или гаметы, и все остальные клетки организма, или соматические клетки.

Соматические клетки содержат парный (диплоидный) набор хромосом — по половине от каждого из родителей (например, у человека 46 хромосом: 23 от матери и 23 — от отца). Эти клетки размножаются делением, которое называется митозом. Он происходит относительно просто: ДНК клетки удваивается, формируется два парных набора хромосом, затем эти наборы расходятся к разным полюсам клетки, после чего в ней образуется перетяжка, делящая ее пополам. В итоге получаются две одинаковые клетки, аналогичные материнской.

С половыми клетками все сложнее — их предшественницы, первичные половые клетки, или гоноциты, имеют парный набор хромосом, а в итоге из них должны получиться яйцеклетки и сперматозоиды с одинарным (гаплоидным) хромосомным набором. Поэтому процесс их деления (гаметогенез, который в случае сперматозоидов называется сперматогенезом) проходит несколько промежуточных стадий.

У позвоночных гоноциты формируются из универсальных стволовых клеток в желточном мешке эмбриона примерно с шестой недели его развития. По мере образования тканей и органов эти клетки мигрируют в половые железы (гонады), то есть в мужском организме — в яички. Там они формируют популяцию клеток, называемых сперматогониями. В начале полового созревания эти клетки начинают активно размножаться митозом.

При этом часть клеток дифференцируется в так называемые сперматоциты первого порядка, которые также обладают двойным набором хромосом. Эти клетки, в отличие от сперматогониев, делятся мейозом, при котором удвоения ДНК не происходит. В результате первого деления мейоза образуются сперматоциты второго порядка, несущие одинарный набор хромосом. Затем они проходят второе деление мейоза, аналогичное митозу, давая на выходе сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Эти клетки затем дифференцируются в зрелые сперматозоиды.

На каждой стадии этого процесса клеткам необходимы определенная среда, окружающие клетки и сигнальные факторы, направляющие их деление и развитие. Яички, имеющие сложную микроскопическую структуру, обеспечивают нужные условия, но воспроизвести эти условия в лаборатории — задача практически непосильная, особенно на последних этапах сперматогенеза.

Ближе всего к ее решению удавалось подойти сотрудникам Киотского университета в Японии. В 2011 году они смогли направить дифференцировку мышиных эмбриональных стволовых клеток в гоноцитоподобные клетки (ГПК), но для последующих стадий сперматогенеза их пришлось подсадить в яички взрослых мышей — добиться мейоза «в пробирке» у них не получилось.

«Хорошая штука»

Ученые из Китайской академии наук и их коллеги из Нанкина, Чанша, Хэфэя и Янчжоу использовали в своем исследовании наработки японских коллег. При помощи «коктейля» из цитокинов, аналогичных сигнальным молекулам ранних экстраэмбриональных тканей, они дифференцировали мышиные эмбриональные стволовые клетки в эпибластоподобные клетки (напоминающие желточный мешок) и далее в ГПК.

Чтобы создать им условия, близкие к внутренней среде половых желез, ГПК смешали в питательной среде с равным количеством эпителиальных клеток, полученных из яичек новорожденных мышей. После этого в среду добавляли различные сочетания морфогенов — веществ, направляющих дифференцировку клеток в нужном направлении и формирование из них органов и тканей. Как отметил один из исследователей Сяоян Чжао (Xiao-Yang Zhao), для получения нужной комбинации пришлось проделать сотни экспериментов. В результате сочетание морфогенов KSR, BMP-2/4/7, активина А и ретиноевой кислоты запустило процесс мейоза сперматоцитов.

Однако, запустив мейоз, необходимо регулировать его течение. Для этого на седьмой день из питательной среды убрали морфогены и добавили гормональную смесь: фолликулостимулирующий гормон, тестостерон и экстракт бычьего гипофиза. По поводу последнего эксперт-репродуктолог из Джексоновской лаборатории в Бар-Харборе (штат Мэн) Мэри Энн Хэндел (Mary Ann Handel) эмоционально заметила: «Бог знает, что в нем такого? Но, наверное, это хорошая штука».

Тем не менее, эта гормональная комбинация оказалась единственной, обеспечившей правильное течение всех ключевых стадий мейоза, что было подтверждено иммунохимическими, цитологическими, генетическими анализами, секвенированием и ПЦР. Результатом стало появление в культуре сперматидоподобных клеток с гаплоидным хромосомным набором — фактически, незрелых сперматозоидов без хвоста и с «лишними» органеллами.

Эти клетки использовали для оплодотворения путем стандартной процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ИКСИ), при которой мужские гаметы вводят в яйцеклетку стеклянной микроиглой. Это привело к развитию морфологически полноценных эмбрионов, которые перенесли в матку мыши для вынашивания. Родившиеся мыши ничем не отличались от животных, зачатых естественным путем, и произвели собственное потомство.

Слово скептикам

Публикация китайцев заставила некоторых ученых сомневаться в полученных результатах. Так, руководитель киотского коллектива, разработавшего метод получения ГПК из стволовых клеток, Минитори Сайтоу указал на то, что температура в инкубаторе поддерживалась на уровне 37 градусов Цельсия, что может остановить развитие спермы. Он также отметил, что на флуоресцентной микроскопии в клетках не видны белки, характерные для ГПК.

Эксперт по стволовым клеткам из Утрехтского университета в Нидерландах Нильс Гейсен (Niels Geijsen) отметил, что успехи китайских ученых «изумительны, если [описанное в статье] действительно произошло».

Золотой стандарт

Несмотря на скепсис ряда коллег, исследователи отмечают, что их работа соответствует всем критериям «золотого стандарта» доказательства получения полноценных половых клеток «в пробирке», которые сформулированы уже упомянутой Хэндел с коллегами в 2014 году. Эти критерии включают нормальное количество ДНК, число и форму хромосом в клетках на всех стадиях развития, их правильное расхождение в ходе мейоза, а также пригодность полученных клеток для получения способного к размножению потомства. Сама Хэндел согласилась, что работа «золотому стандарту» соответствует.

На текущей стадии разработанная методика представляет собой ценную платформу для исследований всех стадий и необходимых условий сперматогенеза, а также значения каждого конкретного фактора в этом процессе. До ее возможного клинического применения еще очень далеко. Во-первых, для начала нужно убедиться, что последующие поколения зачатых искусственной спермой мышей здоровы и воспроизвести результаты на других животных моделях. Во-вторых, неясно, будет ли подобный подход работать у людей. В-третьих, у взрослого человека нет эмбриональных стволовых клеток, а подойдут ли вместо них индуцированные плюрипотентные, которые можно получить из зрелого организма — большой вопрос. В-четвертых, где брать клетки яичек новорожденных. В-пятых, добиться разрешения на подобные эксперименты и разработать для них юридическую базу в современном мире вряд ли возможно. И эти проблемы не единственные.

Тем не менее, первый успех вдохновил многих ученых. «Если это работает у мыши, нет никаких биологических обоснований того, что это окажется неэффективным у человека. Но придется выяснять необходимые для этого условия [среды] и проводить клетки через эту очень тонкую хореографию», — отметил гарвардский эксперт по стволовым клеткам Джордж Дэйли (George Daley).

Как бы там ни было, лучше запомнить имена Сяояна, Цюаня Чжоу (Quan Zhou), Мэй Ван (Mei Wang) и их коллег. Если полученные ими результаты удастся подтвердить и воспроизвести, будет несложно выиграть пари на то, кто станет лауреатами одной из следующих Нобелевских премий в области медицины и физиологии.

Олег Лищук