Egy emlős elkészítéséhez szüksége van egy tojásra és a spermára. Ez a két szükséges genetikai bevitel történelmileg azt jelentette, hogy nem sikerült elindítani az utódok hím-hím vagy nő-nő csatolásokból történő előállítási kísérleteit. Azáltal, hogy elhomályosította a petesejt és a sperma közötti határokat genetikai megváltoztatással, a tudósok most segítenek bennünket az emlősök szaporodásának szabályainak megtörésében.
Tegnap a Cell Stem Cell folyóiratban a Kínai Tudományos Akadémia kutatócsoportja beszámolt az egész nemzetiségű egérszülők egészséges utódainak születéséről. Azáltal, hogy a petesejtek genomját úgy módosították, hogy hasonlítson a spermára, és fordítva, a tudósok képesek voltak legyőzni a biológiai szaporodás jelentős akadályát. A női-női szakszervezetek kölyökkutyái túlélték maradtak a felnőttkorban, sőt maguk is anyák lettek, a rövid életű csecsemőket pedig egy apa-apa duó üdvözölte.
„Ez hihetetlenül lenyűgöző” - mondja Ava Mainieri biológus, aki a Harvard Egyetemen tanulmányozza a szaporodás genetikáját. "Ez a technológia körülbelül egymillió következménnyel jár a jövőre nézve."
A kutatók képesek voltak leküzdeni egy régóta fennálló kihívást az emlősök egyszeres szülőkkel történő előállításával. Általában egy emlős embriónak két genomra van szüksége, amelyek mindegyike az anyától vagy az apától származó genetikai utasítások kéziratát tartalmazza. Ily módon a magzat az egyes gének két példányát örökli. De sok gén esetén az anya vagy az apja másolat elnémul. Az egyik genom teljes régiója leállítható, míg a másik szülő genetikai kódjának ugyanazok a részei érintetlenek maradnak.
„Ha a DNS nukleotidjai egy szöveg, akkor [ezek a természetes módosítások] szóközöknek vagy központozásoknak tekinthetők, amelyek értelmet adnak az ilyen bonyolult szövegnek” - magyarázza Mainieri, aki nem vett részt a kutatásban.
Büszke mama egér utódjaival. A képen látható anya egér két anyának született, és a tudósok normális, egészséges életének tartotta. (Le-Yun Wang / Kínai Tudományos Akadémia) A kihívás az, hogy ezeknek a tereknek és az írásjeleknek az egyes genomokban helyesen kell elhelyezkedniük - ami természetesen történik a férfi-női szülőkkel. Ezt a finom jelenséget genomi lenyomatnak nevezik, és ez kritikus jelentőségű az emlősök szaporodása szempontjából. Ha véletlenül bekapcsolódik a szokásos módon „benyomott” gének egyikének mindkét szülője, akkor a következmények katasztrofálisak lehetnek, ha olyan magzatot hoznak létre, amelynek léggömbje van, küzdenek a tápanyagok beszerzéséért, vagy akár egyáltalán nem tudják elérni a termést.
Azoknak a tudósoknak, akik az azonos nemű szülőkkel próbálják emlősöket szaporítani, a genomi lenyomat szükséges folyamata komoly akadályt jelent. A 20. század közepe körül, amikor a tudósok megkísérelték az első két női genomú egérembrió előállítását, nem tartott sokáig, amíg a tojások összeolvadásának matematikai rendetlensége meg nem változott. A genetikai utasítások mindkét fele tükrözi az anyai lenyomatot, deaktiválja és aktiválja a genom ugyanazon régióit - és az egyenlet apai része nélkül néhány gént túlexpresszáltunk, míg másokat soha nem kapcsoltak be megfelelően.
A közelmúltban a Kínai Tudományos Akadémia kutatói csoportja, Wei Li, Qi Zhou és Bao-Yang Hu vezető szerzők vezetésével úgy döntött, hogy kipróbál egy új eszközt a probléma megoldására. Az azonos nemű szülőkből származó egészséges utódok termelésének esélyeinek maximalizálása azt jelentette, hogy a lehető legkevésbé lenyomott sejtekkel kezdték meg azokat a sejteket, amelyeknek a genetikai kódban még nem volt elválasztása. Tehát a kutatók szokatlan tojás- és spermakészletet generáltak azáltal, hogy törölték a genom egyes nyomtatott jeleit, lényegében visszafordítva ezen reproduktív sejtek óráját, amíg azok nem hasonlítanak a genetikai kézirat szerkesztés nélküli első vázlatához.
A tiszta sejtek arzenáljával felfegyverkezve a kutatók bimaternális egerek tenyésztésére törekedtek. A férfiasság utánozására az apai lenyomatok saját változatát hozzáadták a tiszta tojássejtekhez, három ismert lenyomatos régiót kivágva annak genomjából. Ez a technika lényegében egész bekezdéseket vagy fejezeteket törölt a petesejt genetikai kéziratából, és reproduktív sejtté alakította azt, amely jobban működött, mint a sperma. Ezután befecskendezték az újonnan manipulált sejtet egy normál tojásba egy másik nőstény egérből.
Megdöbbentésükre a bimaternális embriók 14 százaléka - összesen 29 egér - egészséges nőstényekben született (a reproduktív keverékben Y-kromoszóma nélkül a hímek garantáltan nemzetiségűek). Számos bimaternális egér saját egészséges kölyökkutyáik születéséig is nőtt fel (ezúttal egy természetes fogantatás útján). A kutatók szerint az apátlan egerek fizikailag és viselkedésükben egészségesek voltak - de Zhou rámutat arra, hogy lehet hiányosságok ezekben az egerekben, amelyeket a csapat még nem fedez fel.
Egy még nagyobb kihívás állt előttünk - bipaternális egerek. Két anyával rendelkező egér kölyköt 2004-ben tenyésztettek először (jóllehet sokkal alacsonyabb sikerrel, mint a legújabb elért munkával). Az apátlan egerek bizonyos értelemben régi hírek voltak. Az anyátlan egerek viszont „csodálatosak” lennének - mondja Hugo Creeth, akinek a Cardiff Egyetemen végzett munkája szintén a genetikai lenyomatra összpontosít.
Marisa Bartolomei, a Pennsylvaniai Egyetem fejlesztési biológusa szerint, az egér két hím genetikai anyagával történő születésének egyik fő kihívása az, hogy sokkal több lenyomatnak kell lennie, hogy az anya genomjában megtörténjen az apák megfelelő csatlakozása. A férfi genomnak a női genomhoz hasonló viselkedéséhez szükséges további munka része lehet annak az oka, hogy a természetben az unisex szaporodás a nő-nő párosulások felé fordul. (Míg egyes hüllők, kétéltűek és halak képesek csak nőstény párzásra, csak egy faj - a zebrahal - született utódokat anyai beadás nélkül és csak laboratóriumban).
"[Úgy tűnik, hogy] a bimaternális szaporodáshoz képest több akadályt kell átlépni a bipaternális szaporodási akadálynál" - mondja Li.
A kihívások ellenére a kutatók csak két férfi szülő DNS-ével képesek élő utódokat generálni. Egy módosított sperma sejtből hat genetikai régiót eltávolítottak, hogy jobban hasonlítsanak a női genomra, majd egy üres női peteben belül a normál spermával kombinálják. (Üres vagy sem, a sperma és a sperma összehozása érdekében továbbra is szükség van egy eggy kamrára.) Ezeket a furcsa hibrid embriókat - szó szerinti petehéjat, amelyek kettős adag apai DNS-t tartalmaztak - azután helyettesített egér anyaba helyezték.
A tudósok egereket két atyával tenyészthetnek, de súlyos rendellenességekkel születnek, és nem maradnak fenn felnőttkorig. (Le-Yun Wang / Kínai Tudományos Akadémia) Az utódok alig több mint egy százaléka maradt fenn. Sajnos minden kölyök súlyos rendellenességgel született és szinte azonnal meghalt. Amikor a kutatók egy hetedik lenyomatos régiót eltávolítottak a szerkesztett sperma sejtekből, megkétszerezték a túlélési arányt. A kölykök még mindig nem nőttek felnőttkorba, ám ennek ellenére a módszer működött, és az utódok rövid életű életképessége monumentális volt.
"Ez valóban azt mutatja, hogy a lenyomatok gátolják az egyszemélyes fejlődést" - mondja Bartolomei. "Anyai szempontból ismertük, de most, a kétoldalúakkal, ez az első."
Li szerint a következő lépés a bipaternális egerek élettartamának javítása. Még mindig nem egyértelmű, hogy miért ölte meg az egereket két genetikai atya - lehetséges, hogy vannak más kritikusan lenyomatos régiók, amelyeket továbbra is genetikailag „kezelni kell” - mondja Bartolomei.
Valójában kicsit csoda, hogy oly kevés genetikai manipuláció volt elegendő ahhoz, hogy az egyik nem genomját a másikra hasonlítóvá alakítsák. Több mint 150 gént gondolunk arra, hogy egerekbe nyomódnak - és a lista egyre növekszik -, de nem minden ilyen gén kritikus az élő utódok születése szempontjából.
Miközben az új genetikai módosítási módszer az egy nemű egerek tenyésztésére működött, Mainieri figyelmezteti, hogy „hatalmas, hatalmas lépés” szükséges ahhoz, hogy ezeket a kísérleteket más emlősökön, beleértve az embereket is megismételjék. Noha Li, Zhou, Hu és munkatársaik alig várják, hogy valaha a főemlősök felé költözzenek, nem garantált, hogy az egyik faj genetikai kéziratában szereplő jelölések könnyen átfordulnak a másikhoz.
Ezek az új eredmények azonban áttörést jelentenek a tudósok megértésében a genomi lenyomat szerepéről az emlősök szaporodásában. Ezenkívül számos rendellenesség oka a nem megfelelő lenyomat a genomban - tehát még ha az anyátlan vagy apátlan csecsemők nem is vannak a láthatáron, ezen genetikai tünetek egyszerű megértése megváltoztathatja a gyógyászathoz való megközelítést.
"Ezzel a tudással képesek vagyunk a [genomikus szöveg] mondataira vagy bekezdéseire oly módon olvasni, mint még soha nem voltunk" - mondja Mainieri. - És ez óriási.
