Японские ученые научились тормозить сперматозоиды с Х-хромосомой
Японские ученые придумали простой способ замедления сперматозоидов с Х-хромосомой путем избирательной активации рецепторов из семейства TLR. Такая сортировка сперматозоидов in vitro с последующим искусственным оплодотворением помогла получить потомство мышей, на 90 процентов состоящее из самцов. Работа опубликована в журнале PLOS Biology.
В процессе сперматогенеза из диплоидных клеток с набором хромосом XY образуются гаплоидные сперматозоиды, несущие либо X (женскую), либо Y (мужскую) хромосому. Количество тех и других одинаково, поэтому у млекопитающих в потомстве обычно рождается примерно поровну самцов и самок. Тем не менее, это соотношение можно изменить искусственно, как это делается в ветеринарии и медицине. К примеру, для молочной промышленности выгодней сдвинуть соотношение полов в потомстве телят в сторону женского пола. Выбор пола ребенка на этапе искусственного оплодотворения иногда используется в медицинских целях, чтобы избежать проявления сцепленных с полом заболеваний в случае плохой наследственности (в иных условиях манипулировать полом будущих детей на этом этапе не разрешено).
Выбрать пол на этапе искусственного оплодотворения проще всего путем разделения сперматозоидов на X-содержащие и Y-содержащие. Это возможно сделать несколькими способами. Например, за счет незначительных различий по массе сперматозоиды можно разделить центрифугированием, или пометить носителей нужной хромосомы флуоресцентной меткой и отобрать их при помощи проточной цитометрии. Кроме того, подвижность X- и Y-сперматозоидов отличается в определенных условиях среды.
Ученые из Университета Хиросимы придумали новый способ разделения сперматозоидов по подвижности на основе различий в экспрессии генов на половых хромосомах, и опробовали его на мышах. Хотя по большей части экспрессия генов в сперматозоидах подавлена, некоторое количество их все же работает, в том числе на половых хромосомах. Исследователи проанализировали данные РНК-секвенирования мышиной спермы и выяснили, что на X-хромосоме остаются активными 492 гена из почти трех тысяч. Среди рабочих генов обнаружилось шесть генов, кодирующих рецепторы, к которым можно подобрать уникальные лиганды (связывающиеся с ними молекулы).
Авторы выбрали из этого списка гены, кодирующие толл-подобные рецепторы 7 и 8 (TLR7/8), которые принимают участие в работе врожденного иммунитета. Исследователи подтвердили, что они действительно производятся X-содержащими сперматозоидами, но не Y-содержащими. Инкубация спермы с иммуномодуляторами резиквимодом и имиквимодом, которые специфически связываются с TLR7 и 8, привела к уменьшению подвижности экспрессирующих их сперматозоидов.
Ученые выяснили, что торможение вызывает не само по себе связывание молекулы, а существенное снижение продукции АТФ (клеточного «топлива») в результате активации рецепторов. К такому результату приводило либо снижение активности митохондрии в результате активации TLR8, либо снижение скорости расщепления глюкозы путем гликолиза в результате активации TLR7.
В результате искусственного оплодотворения отобранной по подвижности «быстрой» Y-фракцией спермы количество мышат мужского пола составило 90 процентов (69 эмбрионов с генотипом XY из 77 полученных эмбрионов). Для X-фракции результат оказался хуже, лишь 70 процентов потомства оказалось самками.
Авторы работы не проверяли, экспрессируются ли TLR7/8 на X-сперматозоидах разных видов млекопитающих, однако предполагается, что активность этих генов довольно консервативна. Кроме того, авторы ранее показали, что другие гены этого семейства, TLR2 и 4, работают в человеческой и свиной сперме, поэтому разработанная технология потенциально применима и для других видов.
Недавно мы рассказывали, как ученые предложили сдвигать соотношение полов в помете мышей при помощи технологии CRISPR-Cas9. Комбинация встроенных кассет, кодирующих белок Cas9 и гидовую РНК против важных генов на Y-хромосоме, делало потомство мужского пола нежизнеспособным.
Бывают случаи, когда хромосомный пол не соответствует фактическому — об этом можно почитать в нашем материале «Легко ли стать мужчиной».
Он повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты
Американские и российские исследователи обнаружили, что трансгенные мыши с повышенной экспрессией гена синтазы гиалуроновой кислоты от голых землекопов меньше подвержены спонтанному и индуцированному раку, дольше живут и дольше сохраняют здоровье. Кроме того, у таких животных значительно снижен уровень воспаления в различных тканях. Отчет о работе опубликован в журнале Nature. Голые землекопы (Heterocephalus glaber) выделяются среди грызунов крайне высокой продолжительностью жизни (в неволе — более 40 лет). Кроме того, у них слабее работают рецепторы внутреннего уха и механизмы торможения в нервной системе, зато замедлено клеточное старение и короче иммунная память (из-за чего у них больше наивных лимфоцитов для реакции на новые инфекции). Одно из главных отличий голых землекопов от других млекопитающих состоит в том, что они практически не болеют раком. Как было показано ранее, это связано с высоким содержанием в их тканях высокомолекулярной гиалуроновой кислоты. Этот гликозаминогликан составляет основу внеклеточного матрикса, участвует в пролиферации и миграции клеток, а также влияет на прогрессирование опухолей, причем его свойства зависят от молекулярной массы — высокомолекулярный обладает защитными свойствами, низкомолекулярный — наоборот. Голые землекопы продуцируют гиалуроновую кислоту с крайне высокой молекулярной массой (более 6,1 мегадальтона), которая оказывает мощную цитопротекцию. Чтобы проверить, производит ли она схожий эффект у других видов животных, сотрудники Университета Рочестера, Гарвардской медицинской школы, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Московского государственного университета под руководством Андрея Селуанова (Andrei Seluanov) и Веры Горбуновой (Vera Gorbunova) создали трансгенных мышей с управляемой повышенной экспрессией гена синтазы 2 гиалуроновой кислоты голого землекопа (nmrHas2). У самок и самцов таких животных наблюдалось повышенное содержание высокомолекулярной гиалуроновой кислоты в мышцах, сердце, почках и тонкой кишке; низкое — в печени и селезенке, утилизирующих ее. Тем не менее оно было ниже, чем у голых землекопов, что, вероятно, связано с более высокой активностью гиалуронидазы у мышей. Наблюдения в когортах из 80–90 животных показало, что экспрессирующие трансген nmrHas2 мыши умирают от спонтанного рака реже, чем обычные (57 против 70 процентов). Эта разница была еще заметнее у пожилых (старше 27 месяцев) животных — 49 против 83 процентов. В эксперименте по химической индукции кожного канцерогенеза нанесением 7,12-диметилбензантраценом (DMBA) и форбол-12-миристат-13-ацетатом (TPA) число папиллом на 21-й неделе от него у трансгенных мышей было почти вдвое меньше, чем у обычных. От пола животных подверженность раку не зависела. Масса тела животных из обеих групп в течение жизни не различалась. При этом экспрессирующие nmrHas2 мыши жили дольше, чем обычные — медианная продолжительность жизни у них была на 4,4 процента, а максимальная — на 12,2 процента больше. У животных женского пола сильнее различалась медианная продолжительность жизни (на девять процентов), а мужского — максимальная (на 16 процентов). Оценка эпигенетического возраста по паттернам метилирования ДНК в печени в возрасте 24 месяцев показала, что у трансгенных мышей он примерно на 0,2 года меньше хронологического. Животные из основной группы жили не только дольше жили, но и дольше оставались здоровыми. У них медленнее, чем в контрольной группе, возрастал интегральный индекс немощности (frailty index), который рассчитывается по 31 физиологическому показателю, и они в пожилом возрасте сохраняли подвижность и координацию движений в тесте на ротароде. Кроме того, у трансгенных самок замедлялось развитие остеопороза. Анализ транскриптомов различных органов и тканей экспрессирующих nmrHas2 пожилых мышей выявил особенности, присущие молодым животным, и пониженный уровень воспаления, связанного с возрастом. Молекулярные исследования показали, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота производит противовоспалительные и иммунорегулирующие эффекты, а также предохраняет клетки от окислительного стресса. Кроме того, она стимулирует барьерную функцию кишечного эпителия, сохраняет стволовые клетки кишечника и поддерживает оптимальный состав кишечной микробиоты, что дополнительно способствует снижению возрастного воспаления. Таким образом, высокомолекулярная гиалуроновая кислота, произведенная трансгеном nmrHas2, продлила жизнь мышей и сохранила их здоровье в пожилом возрасте, подавляя возрастные воспалительные реакции. Это значит, что эволюционные адаптации долгоживущих животных, таких как голый землекоп, можно искусственно воспроизвести у других видов — возможно, и у человека — с пользой для их здоровья. Также полученные результаты указывают на потенциал клинического применения высокомолекулярной гиалуроновой кислоты для лечения возрастных воспалительных заболеваний кишечника и других органов, заключают авторы работы. В 2016 году исследователи из Великобритании, Германии и ЮАР выяснили, что низкая болевая чувствительность голых землекопов связана с мутацией гена одного из рецепторов воспринимающих боль нейронов. Годом позже американские, немецкие, британские и южноафриканские ученые показали, что эти животные могут долго обходиться без кислорода — в эксперименте они выжили 18 минут в атмосфере чистого азота, после чего восстановили аэробный метаболизм.