Лабораторным мышам сшили хромосомы
Мышиные эмбрионы с соединёнными хромосомами сумели превратиться во взрослых мышей, а некоторые из них даже дали потомство.
Говоря о мутациях, мы чаще всего имеем в виду точечные замены генетических букв в генетическом тексте, то есть в последовательности ДНК. Но есть другая группа мутаций, столь же влиятельная, если можно так сказать, — это хромосомные перестройки разного масштаба. Из хромосомы может выпасть целый кусок, или, наоборот, у него появится лишняя копия, или в клетке вдруг возникнет ещё одна копия целой хромосомы (или сразу нескольких хромосом), или же две хромосомы соединятся в одну.
Как и с точечными мутациями, хромосомные перестройки часто приводят к большим неприятностям. Очень часто их видят в раковых клетках, хотя рак не единственное, что может тут произойти. В то же время — как и с точечными мутациями — хромосомные перестройки служат сырьём для эволюции. Хромосомные разрывы и слияния меняют физиологию и поведение живых организмов, и если такие изменения ничему напрямую не вредят, на свет может появиться новый вид. Например, мы как-то рассказывали про одного червя, у которого когда-то было шесть пар хромосом, но со временем они слились в одну пару. Чтобы изучать разные эффекты хромосомных перестроек, хорошо бы уметь целенаправленно эти перестройки создавать.
В статье в Science сотрудники Зоологического института Китайской академии наук описывают, как им удалось получить мышей со сшитыми попарно хромосомами. Исследователи работали с эмбриональными стволовыми клетками с одинарным набором хромосом. Как мы хорошо знаем, эмбрион появляется после оплодотворения, то есть после слияния яйцеклетки и сперматозоида. Материнский хромосомный набор объединяется с отцовским, и дальше все клетки несут двойной, или диплоидный, набор. Но сейчас, чтобы манипулировать хромосомами, исследователям понадобились гаплоидные клетки, то есть несущие одинарный хромосомный набор (если хромосомных наборов было два, второй бы только мешал). Они запустили программу развития эмбриона без оплодотворения, получив гаплоидные эмбриональные стволовые клетки — продолжать развитие в полноценный организм они не могли, но зато могли расти в клеточной культуре.
У каждой хромосомы есть особая зона под названием центромера. Последовательность ДНК в центромере ничего не кодирует, но зато она нужна для правильного распределения хромосом по дочерним клеткам при делении. К центромерам присоединяются специальные белки, которые тащат хромосому к одному из полюсов делящейся клетки. Если мы соединяем две хромосомы вместе, из одной нужно удалить центромеру, что и было сделано с помощью генетического редактора CRISPR.
Другая особая зона, которая есть в каждой хромосоме, — это теломера, точнее, пара теломерных участков, которые сидят на обоих хромосомных концах. Про теломеры мы слышим часто: они защищают гены от повреждений при копировании ДНК и они же определяют срок жизни клетки (как они это делают, мы рассказывали, когда говорили о том, что теломеры должны быть правильной длины, не слишком короткими и не слишком длинными). Сшивая хромосомы, нужно избавить их от теломер в том месте, где они будут соединяться друг с другом — теломерная последовательность в середине хромосомы может заставить клетку погибнуть. От теломер избавлялись с помощью того же генетического редактора CRISPR.
Для сшивания выбрали мышиные хромосомы 1 и 2 — самые длинные, и 4 и 5 — хромосомы среднего размера. В итоге получилось три типа клеток: у одних хромосома 2 присоединилась к концу хромосомы 1 (то есть получилась гибридная хромосома 1+2), у других хромосома 2 присоединилась к началу хромосомы 1 (получилась гибридная хромосома 2+1), у третьих получилась хромосома 4+5. При этом от хромосомы 1+2 по ходу дела откололся небольшой кусочек и присоединился к хромосоме 17 — получилась ещё одна, незапланированная, хромосомная модификация.
Все клетки росли и делились более или менее без проблем, так что их решили использовать для «оплодотворения» нормальной яйцеклетки. Для этого с ними проделали ещё кое-какие манипуляции, которые должны были «обнулить» эпигенетические метки в хромосомах стволовых клеток. Эпигенетические механизмы регуляции активности генов начинают работать в развивающемся эмбрионе, и в стволовых клетках, которые были получены при запуске эмбриональной программы, эти механизмы тоже включились. Эпигенетические настройки генетической активности могли бы помешать развитию нового эмбриона, который должен был образоваться при «оплодотворении» яйцеклетки стволовыми гаплоидными клетками, поэтому тут понадобились дополнительные молекулярно-генетические процедуры.
В итоге получились яйцеклетки, у которых один хромосомный набор был обычный, с самостоятельными первой, второй, четвёртой и пятой хромосомами, а второй хромосомный набор был со сшитыми хромосомами. Эмбрионы с гибридной хромосомой 2+1 остановились на самых ранних этапах развития, а вот из эмбрионов с хромосомами 1+2 и 4+5 получились сравнительно нормальные мыши. Правда, животные с хромосомой 1+2 оказались бесплодны (поэтому мы и говорим — сравнительно нормальные), а мыши с хромосомой 4+5 росли быстрее обычных мышей и были более нервными в некоторых поведенческих тестах. Мыши «4+5» успешно спаривались с обычными мышами, но в помёте было меньше мышат, чем рождается в норме, то есть какие-то последствия для плодовитости случались и при сшивании хромосом 4 и 5.
В целом подобное соединение хромосом друг с другом не такой уж редкий феномен в природе. Про червя с одной парой хромосом мы уже вспоминали, можно также упомянуть некоторых нототениевых рыб из арктических морей: в их геноме тоже можно увидеть многочисленные следы сшивания хромосом. Имея на руках методы, позволяющие целенаправленно сшивать хромосомы, можно лучше понять эффекты, которые возникают в связи с такими перестройками — эффекты как клинико-медицинские, так и эволюционные.
