Изменив 20 участков генома, учёные успешно вывели мышей с двумя родителями-самцами и вырастили их до зрелого возраста
Учёные из Китая представили новый метод выведения детёнышей мышей с двумя родителями-самцами, причём полученные малыши смогли дожить до взрослого возраста.
Это не первый случай, когда учёные разводят мышей с двумя папами; исследовательская группа из Японии сделала это в 2023 году, используя другой подход. В новом исследовании, опубликованном во вторник (28 января) в журнале Cell Stem Cell, учёные не только вывели мышей с двумя отцами, которые смогли дожить до взрослого возраста, но и сделали это таким образом, чтобы по-новому взглянуть на сложный набор генов, активность которых меняется в зависимости от того, от кого из родителей вы их унаследовали. Проблемы с этими генами, известными как «гены импринтинга», могут вызывать целый ряд расстройств у людей, включая синдром Ангельмана.
«Я восхищён этой работой — думаю, это важный подход», — сказал Кит Лэтэм, профессор зоотехнии и акушерства, гинекологии и репродуктивной биологии в Мичиганском государственном университете, который не принимал участия в исследовании. «Это ещё один значительный шаг вперёд в понимании биологии импринтинга», — сказал он.
Изменение «импринтированных» генов
В исследовании 2023 года учёные из Японии собрали клетки кожи взрослых мышей-самцов и превратили их в стволовые клетки, которые можно было использовать для выращивания яйцеклеток. Используя хитроумную технику, команда обеспечила, чтобы каждая из этих яйцеклеток несла две Х-хромосомы — пару половых хромосом, обычно встречающихся у самок. Затем команда оплодотворила полученные яйцеклетки спермой самцов мышей, в результате чего появилось небольшое количество потомства, гены которого были получены только от самцов мышей.
В новом исследовании, проведённом в Китае, для достижения аналогичного результата использовался другой подход.
Исследователи начали с удаления ДНК из незрелой яйцеклетки, или ооцита, взятой у самки мыши. Затем они ввели в яйцеклетку сперматозоид, чтобы вырастить уникальные стволовые клетки, встречающиеся только у эмбрионов. Затем эти эмбриональные стволовые клетки вместе со сперматозоидами самца мыши вводятся во вторую яйцеклетку. В итоге получается оплодотворённая яйцеклетка, которая может превратиться в детёныша мыши с ДНК от двух отцов.
В качестве финального шага учёные внесли 20 генетических изменений в ДНК стволовых клеток. Эти подстройки изменяют активность импринтинговых генов, которые уникальны тем, что потомство наследует две копии — одну от мамы, другую от папы, — но для работы им нужна только одна копия. Таким образом, в каждой клетке одна копия каждого импринтированного гена отключается, а вторая остаётся функциональной.
Этот процесс известен как «геномный импринтинг», и когда он идёт неправильно, возникают нарушения импринтинга, вызывающие проблемы с ростом и развитием. Когда вы пытаетесь создать эмбрион с ДНК двух отцов, вы столкнётесь с целым рядом проблем, связанных с импринтингом, поскольку слишком много отцовских генов остаются активными, а материнские гены не могут их компенсировать.
«Наш подход направлен непосредственно на импринтированные гены, которые, как давно предполагается, играют центральную роль в би-отцовских репродуктивных барьерах», что усложняет задачу получения потомства от двух родителей-мужчин, сказал соавтор исследования Чжи-кун Ли, доцент Китайской академии наук в Пекине.
В предыдущем исследовании Ли и его коллеги изменили всего семь горячих точек импринтинга, или «локусов» в геноме, и получили зародышей мышей, которые выжили во время беременности, но эти мыши умерли после рождения, сказал Ли. У мышей были такие аномалии, как пупочные грыжи, высунутые языки и увеличенные внутренние органы.
Исследователи систематически определяли генетическое происхождение каждой из этих проблем и вносили в организм мышей все новые и новые генетические изменения. При 18 изменениях мыши нуждались в помощи при сосании в младенчестве, но могли достичь взрослой жизни. При 19 изменениях у них возникали проблемы с ростом плаценты во время беременности, но после рождения всё было в порядке. Ещё одна модификация — всего их стало 20 — похоже, решила проблему с плацентой.
Интересно, что импринтинг кажется более сложной проблемой для преодоления в случае с би-отцовским потомством, чем с би-материнским, отмечают авторы в своём отчёте. В своей предыдущей работе они смогли вывести мышей с двумя мамами, которые дожили до взрослого возраста с гораздо меньшими генетическими изменениями, как и другие исследовательские группы. Кроме того, спонтанный партеногенез — когда яйцеклетка может оплодотвориться без сперматозоида — иногда происходит у животных в природе.
Тем не менее, «несколько удивительно, что манипуляции всего с 20 генами импринтинга позволяют относительно нормально развиваться би-отцовским эмбрионам, когда у мышей существуют сотни локусов импринтинга», — сказал доктор Котаро Сасаки, доцент Школы ветеринарной медицины Пенсильванского университета и Школы медицины Перельмана, который не принимал участия в работе.
Однако у полученных мышей всё равно были недостатки, в том числе более короткая продолжительность жизни, чем у обычных мышей, сообщил Сасаки в электронном письме Live Science. Эксперименты показали, что эти мыши также бесплодны. В отличие от них, группа мышей, выведенных в Японии и доживших до взрослого возраста, могла размножаться.
«Наши следующие шаги включают в себя усовершенствование подхода к редактированию генов для получения более здоровых би-отцовских животных», — говорит Ли. Вполне вероятно, что можно будет подправить и другие гены импринтинга, чтобы избавиться от оставшихся проблем со здоровьем, сказал он. Команда также хочет опробовать свой подход на других видах животных, чтобы увидеть, насколько хорошо он работает.
В долгосрочной перспективе это направление исследований может помочь учёным лучше понять нарушения импринтинга, что в перспективе откроет путь к лечению с помощью редактирования генов для их устранения у людей, считает Ли.
Лэтэм добавил, что, лучше понимая генетические пути, учёные, возможно, смогут найти способы борьбы с нарушениями с помощью лекарств, а не редактирования генов. Он добавил, что исследование может найти применение и в сельском хозяйстве, если, например, оно поможет селекционерам вывести желаемые черты у домашнего скота.
Когда дело дойдёт до людей, Лэтэм сказал, что мы захотим лучше понять риски и преимущества этого подхода, прежде чем пытаться использовать его на людях. Сасаки поддержал это мнение, отметив, что ряд технологических препятствий и этических проблем «препятствуют клиническому применению метода на людях в ближайшем будущем».