Искусственную яйцеклетку превратили в мышь

Яйцеклетки, выращенные в пробирке из мышиных стволовых клеток, после оплодотворения превратились в здоровых животных.

Из стволовых клеток сейчас научились делать массу всего: из них выращивают сетчатку (правда, не всю, целиком, а пока только фрагмент), из них можно вырастить нечто похожее на желудок или, например, на кору полушарий мозга.

Речь в данном случае идёт об эмбриональных стволовых клетках или их искусственных аналогах – индуцированных плюрипотентных стволовых клетках. И те, и другие обладают уникальной способностью: они могу превратиться в любые из более чем двухсот типов клеток нашего тела. Собственно, в этом их функция и заключается – сформировать ткани и органы развивающегося организма. Понятно, почему ими особо интересуются медики и биотехнологи: как бы было хорошо, если бы у нас больной орган можно было просто заменить на здоровый, выращенный в пробирке.

Использовать в экспериментальных целях натуральные эмбриональные клетки, взятые из человеческих зародышей, по морально-юридическим причинам возможно далеко не всегда; так что биотехнологам пришлось создать метод, который обращает вспять развитие зрелых, дифференцированных клеток, превращая их в подобие эмбриональных стволовых. Такие клетки получили название индуцированных плюрипотентных (то есть «всемогущих») – и, согласно последним исследованиям, от своих естественных собратьев они почти не отличаются.

При этом, если выращивать те же нейроны из стволовых клеток научились довольно быстро, то с другими типами клеток пришлось повозиться. Например, получить женскую половую клетку – ооцит – удалось только сейчас, о чём пишут в Nature исследователи из университетов Кюсю и Киото. Развитие ооцитов само по себе достаточно непростое. У млекопитающих ещё во время эмбрионального развития из стволовых клеток появляются гоноциты – предшественники яйцеклеток, которые перебираются в формирующийся яичник. Здесь гоноциты становятся оогониями – чуть более близкими предшественниками яйцеклеток – и активно делятся. После появления женской особи на свет деления прекращаются, и в дальнейшем самка расходует тот запас предшественников половых клеток, который сформировался у неё во время внутриутробного развития.

Но оогонии – ещё не настоящие яйцеклетки. В яичнике оогонии растут и делятся, но делятся не так, как раньше. Два основных типа клеточного деления, как мы знаем, это митоз и мейоз, и в человеческом теле мейоз идёт только при созревании половых клеток (как женских, так и мужских). Основное отличие одного от другого в том, как распределяется генетический материал между дочерними клетками.

В любой нашей клетке есть два набора хромосом, отцовские и материнские, в них находятся разные варианты одних и тех же генов. При делении все хромосомы удваиваются – то есть вся генетическая информация копируется полностью – и дальше, если у нас обычное, митотическое деление, по дочерним клеткам расходятся по одной копии каждой хромосомы. С информационной точки зрения тут ничего не поменялось, дочерние клетки получили те же гены и в том же составе, какие были у материнской.

Если же клетка, например, предшественник ооцита, входит в мейоз, то новые клетки получают только половину генетической информации: здесь расходятся сами хромосомы, в обеих своих копиях. То есть, например, в одну клетку ушёл материнский вариант хромосомы I и её копия, материнский вариант хромосомы II и её копия, отцовский варианты хромосомы III и её копия и т. д. Соответственно, вторая клетка получит отцовские варианты хромосом I и II и материнский вариант хромосомы III. То есть информация не просто делится напополам – эти половины оказываются разнородны.

Потом, после такого расхождения хромосом, клетки делятся ещё раз обычным митотическим способом. Как мы только что сказали, после первого деления в дочерние клетки хромосомы уходят вместе со своими сделанными заранее копиями, и вот во втором делении расходятся уже эти самые копии. В результате из одной клетки с двойным (диплоидным) набором хромосом получается четыре с одинарным (гаплоидным) набором. При оплодотворении одна гаплоидная половая клетка сливается с другой гаплоидной, и получается диплоидный зародыш.

Как видим, если нам нужно «вручную» получить яйцеклетки из стволовых клеток, то мы должны в лабораторных условиях превратить стволовую клетку в гоноцит (напомним – первый предшественник яйцеклетки), а потом помочь гоноциту вырасти в оогоний, а оогоний провести через вышеописанное сложное деление-мейоз.

Несколько лет назад Кацухико Хаяси (Katsuhiko Hayashi) и его коллеги опубликовали в Science статью, в которой рассказывали, что им удалось за пять дней довести мышиные стволовые клетки (как эмбриональные, так и искусственные индуцированные) до состояния гоноцита, после чего их пересаживали мышам, в чьих яичниках предшественники половых клеток успешно дозревали до нормальных яйцеклеток.

В следующих экспериментах было решено воссоздать в пробирке уже весь процесс созревания до конца. Теперь к гоноцитам, созревшим из стволовых клеток, добавляли компаньонов – клетки яичника, которые как раз помогают созреванию яйцеклеток. В присутствии клеток яичника гоноциты становились всё менее похожи на сами себя и всё более – на яйцеклетки.

Постепенно клетки, растущие в лабораторной культуре, формировали нечто похожее на фолликул яичника – пузырёк, образованный вспомогательными клетками яичника и с созревающей яйцеклеткой внутри. На этом этапе использовали гормональные сигналы: во-первых, подавляли реакцию клеток на эстроген, во-вторых, добавляли в питательную среду фолликулостимулирующий гормон и ещё некоторые белковые факторы, управляющие созреванием яйцеклеток.

По сути дела, всё сводилось к тому, чтобы помочь клеткам самоорганизоваться в какое-то подобие яичника, для чего и нужно было в определённые моменты менять молекулярные сигналы в культуральной среде. Оказалось, что такое подобие яичника вполне годится для созревания яйцеклеток – в результате до зрелого состояния удалось довести почти треть исходных предшественников яйцеклеток.

Авторы работы проверили, насколько такие искусственные яйцеклетки похожи на естественные, нет ли в них каких-либо дефектов, правильно ли у них распределились хромосомы при делении и т. д. С хромосомами оказалось всё в порядке – в 78% случаев они распределились во время деления так, как надо. Активность генов у искусственных яйцеклеток тоже была такой же, как у естественных.

Ну и, наконец, главный тест на функциональность искусственные яйцеклетки тоже прошли: после того, как их оплодотворяли сперматозоидами, и получившиеся эмбрионы пересаживали самкам мышей, у тех рождались вполне здоровые мышата. Единственное их отличие от мышат, полученных естественным путём, было в том, что «искусственные» были несколько тяжелее; впрочем, в дальнейшем «искусственные» мыши нормально росли и развивались, и к 11 месяцу из них получались взрослые плодовитые животные.

Конечно, выращенные полностью в пробирке яйцеклетки были менее эффективны, чем те, которые формировались в живом организме: только 3,5% искусственных яйцеклеток после оплодотворения дошли, так сказать, до стадии новорождённого мышонка, тогда как обычные яйцеклетки, взятые у мышей для экстракорпорального оплодотворения и потом в оплодотворённом виде возвращённые самкам, доходили до «финиша» в 60% случаев. Однако в данном случае важен сам факт, что нет ничего невозможного в том, чтобы получить из клеточно-стволового «сырья» вполне нормальную яйцеклетку, которая потом превратится в здоровый взрослый организм.

Конечно, при известной доле фантазии можно представить, как искусственная яйцеклетка оплодотворяется искусственным сперматозоидом (а такие тоже уже научились получать) и потом растёт в каком-то биотехнологическом аналоге матки. Но если так и будет, то в не очень близком будущем; пока же с помощью этой технологии можно подробно изучать, как вообще организм контролирует созревание яйцеклеток и какие клеточно-молекулярные дефекты лежат в основе разных вариантов бесплодия.

По материалам The Scientist.