Мышата от двух отцов родились без участия донорской яйцеклетки

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.

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».