Уникальный прорыв в генетике: как ученые получили жизнеспособных мышей с ДНК двух спермиев

Новости криптобиржи Виртуальная реальность

Репродуктивная биология млекопитающих традиционно основывалась на участии двух родителей – мужского и женского. В этом процессе важную роль играют не только сами гены, но и особые химические метки, регулирующие активность участков ДНК, которые наследуются от каждого из родителей. Эти метки, называемые геномным импринтингом, различаются в мужских и женских гаметах и критически важны для нормального развития эмбриона. Последние исследования показали, что можно обойти традиционные генетические ограничения, создавая полноценного потомка, используя только генетический материал из двух сперматозоидов – достаточно для того, чтобы значительно расширить наши представления о наследственных процессах и потенциальных возможностях репродуктивной биологии. Геномный импринтинг представляет собой процесс, в ходе которого определенные участки ДНК подвергаются химическим модификациям, наиболее часто — метилированию, при котором на цитозин накрепляется метильная группа.

Такое изменение не затрагивает последовательность нуклеотидов, но влияет на активность генов, выключая или включая их работу. В разных тканях или стадиях развития организма эти изменения могут быть разными, а в случае млекопитающих существует четкое обозначение метками, свидетельствующими о происхождении гена от матери или отца. Отсутствие корректных меток может приводить к неправильной экспрессии генов и гибели эмбриона, что объясняет невозможность естественного развития с участием гамет одного пола. Уже на протяжении нескольких десятилетий ученые наблюдали, что при попытках создать эмбрион исключительно из яйцеклеток или только из двух сперматозоидов развитие обречено на неудачу. Некоторые ранние эксперименты показали возможность рождения потомства с набором хромосом от двух самок, с использованием сложных манипуляций и генетических удалений в определенных регионах генома.

Тем не менее, при использовании двух мужских наборов хромосом результаты были менее успешными: большинство таких эмбрионов гибло вскоре после рождения, что указывало на недостаточную компенсацию при геномном импринтинге или негативное воздействие самих генетических изменений. Недавно достигнутый прорыв связан с использованием точного редактирования метилирования ДНК, а не удалений генов. В работах, опубликованных ведущими генетиками, удалось применить методики, позволяющие выборочно и целенаправленно перепрограммировать метилирование на определенных регионах хромосом, принадлежащих одной из двух сотосперматогенных линий. Для этого ученые брали генетический материал от двух разных штаммов мышей – классического лабораторного и недавно пойманного в дикой природе, чтобы отличать хромосомы по уникальным последовательностям. С помощью системы CRISPR/Cas они направляли специальные белки, способные либо добавлять, либо удалять метильные группы, точно на клавные области, которые отвечают за правильный импринтинг.

Вначале из яйцеклетки удаляли собственный геном, затем в неё вводили два ядра сперматозоидов, а далее уже происходило реметилирование одного из наборов хромосом, чтобы имитировать материнские метки. Это позволило получить эмбрион с двумя наборами хромосом мужского происхождения, но со сбалансированными метками, как у нормального эмбриона. Несмотря на то, что эффективность эксплутанта оказалась невысокой – лишь несколько выживших мышат из сотен созданных эмбрионов – результат демонстрировал реальную возможность обойти ограничение на половой состав генетического материала. Главной сложностью остается необходимость точного и достаточного перепрограммирования метилирования в семи ключевых регионах генома, каждый из которых контролирует работу множества генов. Ошибки или неполное реметилирование приводят к нарушению роста и развитию.

Здоровье животных, полученных экспериментальным путем, также может страдать из-за возможных побочных эффектов модификаций или незамеченных ранее важных участков с импринтингом. За полученными результатами скрывается глубокое понимание молекулярных механизмов наследования и регуляции экспрессии генов, а также важной роли химических модификаций в эпиэтническом контроле развития. Возможность создания полноценного потомства от двух самцов открывает новые горизонты для исследований репродуктивных стратегий, генетической патологии, а также разработки инновационных методов животноводства и лабораторного разведения моделей животных с особыми генетическими чертами. Эти научные достижения дают перспективу для будущих исследований в области бесполого размножения у млекопитающих, возможности клонирования и терапии бесплодия. Однако пока этот путь сопровождается множеством технических, этических и биологических вызовов.

Например, необходимо гарантировать безопасность и стабильность модифицированных организмов, изучить долгосрочные последствия на здоровье и поведение потомства, а также учесть потенциальное влияние на генетическое разнообразие популяций. Продвинутые методы редактирования эпигенома, такие как те, которые используются для целевого изменения метилирования, становятся центральным инструментом в биотехнологии и медицинских исследованиях. Они позволяют не только изучать механизм работы генов, но и могут применяться для лечения заболеваний, связанных с неправильной экспрессией или повреждением генов. Создание мышей с ДНК двух спермиев является живым подтверждением того, что можно обходить ограничения, навязанные природой, через глубокое понимание и манипуляции на молекулярном уровне. Несмотря на текущие ограничения, экспериментальные успехи конца 2020-х годов стимулируют надежды на будущие исследования, которые смогут повысить эффективность, снизить риски и расширить возможности генетического редактирования для воспроизводства.