Ученые из Шанхая вырастили мышей из одной-единственной яйцеклетки. До этого исследователям удавалось получать (и то с большими трудностями) только детенышей от однополых пар животных. Теперь же на свет появились первые истинно партеногенетические детеныши.
Для этого ученым понадобились два комплекта «генетических ножниц» на основе CRISPR и сотни пробных эмбрионов. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Млекопитающие, судя по всему, не способны размножаться партеногенетически, то есть производить потомство из одной половой клетки. Даже в лабораторных условиях таких результатов до сих пор никто не получил.
Этому мешает геномный импринтинг — процесс, в ходе которого сперматозоид и яйцеклетка навешивают на свою ДНК эпигенетические метки (в частности, метильные группы). В результате в хромосомах, которые новый организм получает от отца и матери, некоторые гены не работают. Эти метки сохраняются на всю жизнь и исчезают только во время образования половых клеток, которые их перевешивают в зависимости от того, образуется яйцеклетка или сперматозоид. Поэтому, если в оплодотворенной яйцеклетке оказываются только отцовские или только материнские хромосомы, часть генов не работают, а часть, наоборот, вдвойне активна — и организм не выживает.
Ученые неоднократно пытались преодолеть этот барьер и даже получили несколько мышат от однополых родительских пар. Для этого в одном из родительских наборов хромосом отключали некоторые участки генома. Правда, мышата от двух отцов оказались хилыми и быстро умерли. Зато мышата от двух матерей вышли более жизнеспособными, и одна мышка даже сама стала матерью.
Но развивать этот метод не очень удобно: в паре из двух яйцеклеток одна должна быть незрелой. Такие яйцеклетки можно получать только из организма новорожденных мышей. Поэтому Яньчань Вэй (Yanchang Wei) из шанхайского университета Цзяотун вместе с коллегами попробовал добиться настоящего партеногенеза — то есть вырастить мышь из одной-единственной, но зрелой яйцеклетки.
Сначала исследователи получили гибридных мышей: они брали самок из линии C57BL/6, а самцов — из линии CAST. Геном этих двух линий отличается большим количеством точечных замен — однонуклеотидных полиморфизмов. Таким образом, по этим полиморфизмам можно отличить «материнские» хромосомы от «отцовских».
У гибридных самок авторы работы забрали растущие ооциты, то есть предшественники яйцеклеток. И запустили в них «генетические ножницы» на основе CRISPR/Cas9. Они использовали измененную систему, в которой Cas9 не разрезает ДНК, а деметилирует, то есть снимает с нее эпигенетические метки. Эту систему ученые «натравили» на два участка «отцовских» хромосом, H19 и Gtl2, которые контролируют импринтинг разных других отцовских генов.
Получились ооциты, в которых часть хромосом (унаследованных от C57BL/6) были метилированы «по-матерински», а другая часть (от линии CAST) — «по-отцовски». Затем эти клетки искусственно активировали, чтобы они начали дробиться, не дожидаясь оплодотворения. В результате получились полноценные эмбрионы мыши, которые подсадили самкам. Но почти все они погибли к 13-му дню развития и ни один не дожил до появления на свет.
Исследователи предположили, что дело в том, что участки, которые отвечают за материнский импринтинг, работают слишком активно. Они выбрали пять таких участков и направили на них другую систему «ножниц», CRISPR/Cpf1. Всего в результате этого эксперимента в ооцитах отредактировали два «отцовских» участка и пять «материнских». Их снова искусственно активировали, получили эмбрионы и подсадили их мышам.
В итоге целых три зародыша дожили до 19,5 дня развития (это фактически конец беременности), когда их извлекли из матери. Двое из мышат весили меньше нормы, отличались задержкой в развитии и умерли в течение суток. Третья мышь выжила, и, хотя тоже развивалась медленнее положенного, доросла до зрелости и принесла потомство. В ее клетках авторы работы заметили еще один «отцовский» участок, Rasgrf1, который никто не редактировал, поэтому он был менее активен, чем в норме. Зато у ее детенышей с ним все было в порядке, из чего исследователи заключили, что проблемы с импринтингом при партеногенезе не передаются по наследству.
Наконец, в третьем эксперименте авторы работы нацелились на все восемь участков: пять «материнских» и три «отцовских», включая Rasgrf1. В итоге родились два мышонка с нормальным весом, которые развивались без задержек и выросли в зрелых мышей.
Таким образом, шанхайским ученым впервые удалось провернуть настоящий партеногенез, без использования других половых донорских клеток. Правда, они отметили, что эффективность технологии пока очень низкая: чтобы получить двух жизнеспособных мышат, пришлось подсаживать самкам 155 эмбрионов на стадии 3,5 дней развития (а отредактированных ооцитов, с учетом того, что не все они начинают развиваться, понадобилось еще больше).
Исследователи предлагают объяснять это тем, что сложно с одинаковой эффективностью отредактировать сразу восемь участков в геноме. Высока вероятность, что хотя бы один из них «исправить» не получится — а это сразу снижает жизнеспособность: даже с семью отредактированными участками, как видно из второго эксперимента, прожить почти не получается. Тем не менее, ученые не исключают, что для эффективного партеногенеза нужно отредактировать еще какие-то области в геноме, которые они еще не проверяли.
Автор: Полина Лосева