Мышата от двух отцов родились без участия донорской яйцеклетки
Для этого ученые заставили клетку одного из самцов потерять Y-хромосому и удвоить X
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).
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.
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.
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».
Эффективнее всего себя показала композиция «We Will Rock You»
Швейцарские ученые внедрили механочувствительные рецепторы в клетки, способные высвобождать инсулин, и они стали реагировать на звуковые волны: ионные каналы впускали положительно заряженные ионы кальция, что заставляло содержащийся в них инсулин сливаться с мембраной и высвобождаться наружу. Эффективнее всего этот процесс происходил под песню «We Will Rock You» группы Queen: у мышей, которым вживили эти клетки, после прослушивания песни заметно снизился уровень глюкозы в крови. Эксперимент описан в журнале The Lancet Diabetes & Endocrinology. Слуховые косточки преобразуют акустические волны звука в механические колебания, которые активируют механочувствительные ионные каналы в волосковых клетках. Вход ионов в клетку приводит к деполяризации мембраны и созданию потенциала действия. Подобные механочувствительные ионные каналы распространены повсеместно у всех организмов, в том числе бактерий, что может быть использовано для генной терапии различных заболеваний: встраивание подобных рецепторов и их активация могли бы менять потенциал действия клетки и, как следствие, ее активность или даже функцию. Однако системная доставка низкомолекулярных триггерных соединений затруднена из-за их иммуногенных эффектов, а физические триггеры, такие как свет, ультразвук, магнитные поля, радиоволны, электричество и температура, не всегда удобны в практическом применении. Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха под руководством Мартина Фуссенеггера (Martin Fussenegger) создали стабильные трансгенные клональные линии клеток, способные высвобождать инсулин, которые конститутивно экспрессируют механочувствительные рецепторы Piezo1 млекопитающих или бактериальные механочувствительные рецепторы MscL. Уровень звука в 60 децибел при частоте 50 Герц, который находится в пределах безопасного диапазона для человеческого уха, эффективно активировал эти рецепторы, что приводило к индукции высвобождения инсулина. Визуализация MscL-положительных и MscL-отрицательных клеток показала значительно более высокие уровни внутриклеточного кальция в первой популяции клеток, что означает массовый вход кальция в клетку при активации механорецепторов. Затем ученые проверили влияние различных жанров музыкальных произведений на высвобождение инсулина. Выяснилось, что популярная музыка с низкими басами и саундтреки к фильмам вызывали максимальное выделение инсулина, в то время как реакция на классическую музыку и гитарную музыку была более разнообразной и зависела от композиции. Песня «We Will Rock You» группы Queen высвобождала почти 70 процентов инсулина в течение пяти минут. В эксперименте на мышах с диабетом и трансгенными клетками эта песня приводила к выработке достаточного количества инсулина, чтобы быстро снизить колебания гликемии во время тестов на толерантность к глюкозе. На втором месте по эффективности оказался саундтрек к фильму «Мстители». Клетки активировались только в том случае, если звуковые волны непосредственно воздействовали на кожу над местом имплантации не менее 15 минут Речь, наушники, низколетящие самолеты, газонокосилки, пожарные машины и гудки не приводили к нежелательной секреции инсулина при восприятии с разных расстояний и направлений. Таким образом, эти клетки защищены от незапланированного выброса инсулина. Ученые считают, что эту разработку можно рассматривать как потенциально реальную замену уколам инсулина для людей с диабетом. Ранее мы рассказывали, что введение инсулина в нос помогло людям с деменцией улучшить их когнитивную функцию.
