K vytvoření savce potřebujete vajíčko a sperma. Tyto dva povinné genetické vstupy znamenaly historicky neúspěch při pokusech o produkci potomků z párů muž-muž nebo žena-žena. Vědci nám však pomáhají porušovat pravidla reprodukce savců tím, že zamlžují hranice mezi vejcem a spermatem genetickou změnou.
Vědci v Čínské akademii věd včera v časopise Cell Stem Cell informovali o narození zdravých potomků rodičům myší stejného pohlaví. Úpravou genomů vajíček, které se podobají spermatům, a naopak, vědci dokázali překonat hlavní překážku biologické reprodukce. Štěňata ze svazů žen a žen přežila dobře do dospělosti, dokonce se staly samy matkami, a krátkodobé děti uvítalo duo táta-táta.
"To je neuvěřitelně působivé, " říká Ava Mainieri, biolog, který studuje genetiku reprodukce na Harvardské univerzitě. "Tato technologie má asi milion důsledků pro budoucnost."
Vědci dokázali překonat dlouhodobou výzvu produkce savců s rodiči svobodného pohlaví. Embryo savců obvykle potřebuje dva genomy, z nichž každý obsahuje rukopis genetických pokynů od matky nebo otce. Tímto způsobem plod zdědí dvě kopie každého jednotlivého genu. Ale u mnoha genů mlčí buď kopie maminky, nebo otce. Celé oblasti jednoho genomu mohou být uzavřeny, zatímco stejné části genetického kódu od druhého rodiče zůstávají nedotčeny.
"Pokud jsou nukleotidy DNA textem, lze tyto přirozené modifikace považovat za mezery nebo interpunkce, které dávají smysl tak komplikovanému textu, " vysvětluje Mainieri, který se do výzkumu nezúčastnil.
A hrdá maminková myš se svými potomky. Matka na této fotografii se narodila dvěma matkám a žila to, co vědci považovali za normální, zdravý život. (Le-Yun Wang / Čínská akademie věd) Výzvou je, že tyto prostory a interpunkce v každém genomu se musí správně zarovnat - něco, co se přirozeně děje s rodiči muž-žena. Tento jemný jev se nazývá genomické imprinting a je rozhodující pro reprodukci savců. Pokud dojde k náhodnému zapnutí kopií jednoho z těchto normálně „imprintovaných“ genů obou rodičů, mohou být následky katastrofální, produkují plody, které mají balón ve velikosti, snaží se získat živiny nebo dokonce nedosáhnou termínu.
Pro vědce, kteří se pokoušejí chovat savce s rodiči stejného pohlaví, představuje nezbytný proces genomického potisku velkou překážku. Přibližně v polovině 20. století, kdy vědci provedli některé z prvních pokusů o produkci myších embryí se dvěma ženskými genomy, netrvalo dlouho, než se matematika slučování vajec dostala do chaosu. Obě poloviny genetických pokynů odrážely otisk matky, deaktivovaly a aktivovaly stejné oblasti genomu - a bez otcovské části rovnice byly některé geny nadměrně exprimovány, zatímco jiné nebyly nikdy správně zapnuty.
Nedávno se skupina vědců z Čínské akademie věd pod vedením starších autorů Wei Li, Qi Zhou a Bao-Yang Hu rozhodla vyzkoušet novou sadu nástrojů k řešení tohoto problému. Maximalizace jejich šancí na produkci zdravých potomků rodičů stejného pohlaví znamenala začít s co možná nejméně potištěnými buňkami - buňkami, které dosud neměly interpunkci v genetickém kódu. Vědci tedy vytvořili neobvyklou sadu vajec a spermií tím, že vymazali některé z otisknutých značek na genomu, a v zásadě obrátili hodiny na těchto reprodukčních buňkách, dokud se podobali prvnímu návrhu genetického rukopisu.
Výzkumníci vyzbrojení arzenálem „čistých“ buněk se rozhodli chovat bimaternální myši. Aby napodobili mužnost, přidali svou vlastní verzi otcovského otiskování k čisté vaječné buňce a ze svého genomu vyhodili tři známé otisknuté oblasti. Tato technika v podstatě odstranila celé odstavce nebo kapitoly z genetického rukopisu vajíčka a proměnila ji v reprodukční buňku, která fungovala spíš jako sperma. Poté injektovali nově manipulovanou buňku do normálního vajíčka z jiné ženské myši.
K jejich úžasu bylo 14 procent z těchto bimaternálních embryí - celkem 29 myší - narozeny zdravé ženy (bez chromozomu Y v reprodukční směsi, samci byli zaručenou nentičností). Několik bimaternálních myší dokonce vyrostlo do porodu vlastních zdravých mláďat (tentokrát přirozenějším pojetím). Pokud to vědci mohli říci, myši bez otce byly fyzicky a behaviorálně zdravé - ale Zhou poukazuje na to, že u těchto myší mohou existovat nedostatky, které tým dosud neobjevil.
Před námi se objevila ještě větší výzva - dvoustranné myši. Myší štěně se dvěma matkami bylo poprvé vyšlechtěno v roce 2004 (i když s mnohem nižší mírou úspěšnosti, než dosáhla nejnovější práce). Myši bez otce byly svým způsobem staré zprávy. Naopak myši bez matek by byly „úžasné“, říká Hugo Creeth, jehož nepřidružená práce na Cardiffské univerzitě se také zaměřuje na genetické otiskování.
Jednou z hlavních výzev porodit myš s genetickým materiálem dvou mužů, podle vývojové biologky University of Pennsylvania Marisa Bartolomei, je, že existuje mnohem více otisků, které se musí stát na genomu matky, aby se mohla řádně spojit s táty. Potřebná práce navíc, aby se mužský genom choval jako ženský genom, může být součástí příčiny unisexové reprodukce v přírodních šikmých směrech směrem k žensko-ženským vazbám. (Zatímco někteří plazi, obojživelníci a ryby jsou schopni samičího páření, pouze jeden druh - zebrafish - někdy produkoval potomstvo bez vstupu matky, a to pouze v laboratoři).
"[Zdá se, že] ve srovnání s bimaternální reprodukcí je třeba překonat více překážek při bariéře bipaternální reprodukce, " říká Li.
Navzdory výzvám dokázali vědci generovat živé potomky s použitím pouze DNA dvou rodičů muže. Modifikovaná spermatická buňka měla odstraněno šest genetických oblastí, aby se více podobaly ženskému genomu, a pak byla kombinována s normálním spermatem uvnitř prázdného ženského vajíčka. (Prázdné nebo ne, je stále potřeba slepá ulička, aby se sperma a spermie spojily dohromady.) Tato podivná hybridní embrya - doslovná vaječná skořápka obsahující dvojnásobné dávky otcovské DNA - byla poté převedena na náhradní matku myši.
Vědci mohou chovat myši se dvěma otci, ale rodí se vážnými defekty a nepřežívají do dospělosti. (Le-Yun Wang / Čínská akademie věd) Přežilo jen něco přes jedno procento potomků. Bohužel, všechna štěňata se narodila s vážnými vadami a téměř okamžitě zemřeli. Když vědci odstranili sedmý potisknutý region z upravených spermatických buněk, zdvojnásobili míru přežití. Štěňata stále nerostla do dospělosti, ale i tak metoda fungovala a krátkodobá životaschopnost potomstva byla monumentální.
"To skutečně ukazuje, že otisk je blokem neúmyslného rozvoje, " říká Bartolomei. "Znali jsme to z pohledu matky, ale teď, u bipaternálů, je to první."
Podle Li je dalším krokem zlepšení životnosti dlouhověkých myší. Stále není jasné, co zabíjí myši dvěma genetickými otci - je možné, že existují i další kriticky potištěné oblasti, které je třeba geneticky „zvládnout“, říká Bartolomei.
Ve skutečnosti je trochu divu, že tak málo genetických manipulací stačilo k přeměně genomu jednoho pohlaví na něco podobného druhému. Existuje více než 150 genů, o kterých se předpokládá, že jsou potištěny u myší - a seznam se neustále rozšiřuje - ale ne každý jednotlivý z těchto genů je kritický pro narození živého potomka.
Zatímco nová technika genetické modifikace pracovala na chovu jedinců stejného pohlaví, Mainieri varuje, že k opakování těchto experimentů u jiných savců, včetně lidí, by bylo zapotřebí „obrovského, obrovského kroku“. Přestože Li, Zhou, Hu a jejich kolegové doufají, že se jednoho dne přesunou k primátům, neexistuje žádná záruka, že označení genetického rukopisu jednoho druhu se snadno převede na jiné.
Přesto tato nová zjištění znamenají průlom v porozumění vědců úloze genomického imprintingu v reprodukci savců. Kromě toho existuje několik poruch, které pramení z nesprávného potisku v genomu - takže i když děti bez matek nebo otců nejsou na obzoru, jednoduše pochopení těchto genetických vtípků může změnit náš přístup k medicíně.
"Díky těmto znalostem máme schopnost číst věty nebo odstavce [genomického textu] způsobem, který jsme nikdy předtím neměli, " říká Mainieri. "A to je obrovské."
