6 Minuten
Genetinės kovos atskleidimas: naujas žinduolių dauginimosi tyrimų etapas
Genetinis balansas tarp patinų ir patelių visada buvo pagrindinis žinduolių lytinio dauginimosi veiksnys. Šį subtilų pusiausvyrą apibrėžia epigenetinis reiškinys, vadinamas genominiu įspaudimu, kurio metu cheminės modifikacijos geno srityse nulemia, kurie tėviniai genai bus aktyvūs embriono vystymosi metu. Patinai evoliuciškai linkę maksimaliai didinti palikuonių skaičių ir skatinti resursų investiciją į kiekvieną, o patelės kryptingai paskirsto išteklius, kad užtikrintų visų jauniklių išlikimą ir būsimo dauginimosi potencialą.
Genominio įspaudimo reikšmė: žinduolių vystymosi biologija
Genominis įspaudimas – unikalus biologinis mechanizmas, kai tam tikri genai turi tėvų kilmę žyminčias chemines žymes, dažniausiai DNR metilinimą. Paprastai patinai metilina savo DNR tam tikrose vietose, kad skatintų embriono augimą, o patelės ženklina genus, kurie stabdo perteklinį augimą. Jei embrionas gauna tik vienos lyties tipiškas žymes tose srityse, jo raida būna sutrikusi ir dažniausiai baigiasi ankstyva embriono žūtimi.
Šios epigenetinės žymės rodo, kodėl žinduolių palikuonys negali atsirasti tik iš spermos ar tik iš kiaušialąstės genetinės informacijos. Daugelį metų ši biologinė kliūtis atrodė neįveikiama – išgyvenimui kiekvienam palikuoniui reikėjo subalansuoto abiejų tėvų įspaudų.
Pagrindiniai atradimai ir vienos lyties genetinių palikuonių paieška
Genominio įspaudimo tyrimai tęsėsi dešimtmečius. Ankstyvieji tyrėjai pastebėjo, kad kai kurių chromosomų sričių netekimas buvo mirtinas, tačiau tik paveldėjus jas iš konkretaus tėvo. Taip buvo suprasta, kad vienas tėvų alelis yra užslopintas, o aktyvaus partnerio netekimas trukdo svarbioms funkcijoms.
Vėliau mokslininkai identifikavo septynias gyvybiškai svarbias įspaudimo sritis pelių genome. Prieš maždaug 20 metų pavyko sukurti pelę, gimusią iš dviejų kiaušialąsčių chromosomų rinkinių – pasirinktinai pašalinant įspaudimo kontrolės regionus. Nors tai priminė partogenezę, tokiam eksperimentui reikėjo ypač sudėtingo kiaušialąsčių modifikavimo.
Vėlesni eksperimentai pasižymėjo didesniu tikslumu: iki 2016 m. tikslingas imprinted genų šalinimas leido pradėti embrionogenezę iš haploidinių kamieninių ląstelių, o 2018 m. buvo sėkmingai sujungtas dviejų spermijų genome į kiaušialąstės branduolį be DNR. Vis dėlto šie embrionai neišgyveno po gimimo, o tai parodė, jog vis dar sunku idealiai atkartoti įspaudimo modelį ir išvengti žalingų poveikių dėl genų ištrynimų.
Didžiulis proveržis įvyko neseniai, kai mokslininkams pavyko sujungti iki 20 tikslių genų redagavimų ir pašalinimų ir pagaliau pagaminti peles, išgyvenusias su dviem patinių genomais. Tai patvirtino daugelį įspaudimo mechanizmų, bet kartu atskleidė naujų klausimų apie gyvūnų sveikatą ir paveldimumą.
Genominio įspaudimo mechanizmas: kaip DNR „užrašo“ tėvišką kilmę
Pagrindinis klausimas – kaip embrionas „atskiria“ chromosomos dalies tėvinę kilmę? Atsakymas slypi cheminėse modifikacijose, ypač DNR metilinime. Gametogenezės metu pasirinktos DNR vietos žymimos metilo grupėmis, kurios veikia kaip įjungimo/išjungimo jungikliai šalia esantiems genams. Šios žymės perduodamos ląstelių dalijimosi metu ir išlaiko motinišką ar tėvišką tapatybę.
Tiksliam tėvinių chromosomų skirtumui svarbi genetinė įvairovė. Šiame tyrime buvo parinkta standartinė europinės kilmės laboratorinė pelių linija ir genetiškai išskirtinė Tajų populiacijos linija. Per šimtmečius susikaupusios genetinės skirtumai sudarė išskirtinius DNR žymenys, leidžiančius tyrėjams sekti ir redaguoti kiekvieną genomą atskirai.
Pagrindinis įrankis buvo pažangi CRISPR/Cas genų redagavimo technologija. Projektuojant RNR gidus, nukreiptus į konkrečias imprinted regionus tiktai vienoje iš dviejų pelių linijų, mokslininkai galėjo tiksliai pristatyti DNR metilinimą keičiančius fermentus – tiek įterpti, tiek pašalinti metilo grupes pasirinktuose chromosomų taškuose.
Žingsnis po žingsnio: pelių su dviejų patinų DNR kūrimas
Mokslininkai laboratorijoje pašalino motinišką DNR iš kiaušialąstės ir įšvirkštė dviejų spermijų branduolius – po vieną iš kiekvienos genetiškai skirtingos linijos. Taip sukurtas embrionas turėjo tik patininę DNR, tačiau su dviem chromosomų rinkiniais. Kas ketvirtas tokios sudėties embrionas turėjo dvi Y chromosomas ir negalėjo išgyventi, nes X chromosoma būtina vystymuisi.
Sėkmingam embriono vystymuisi mokslininkai vieną chromosomų rinkinį „priskyrė“ moteriškai funkcijai, o metilinį kraštovaizdį atitinkamai perprogramavo naudojant metilinančius ir demetilinančius fermentus. Po tokios pertvarkos embrionai buvo auginami iki ląstelių dalijimosi pradžios ir implantuojami į pakaitines pateles.
Rezultatai ir efektyvumas: pasiekimai ir išliekančios kliūtys
Išplėstiniai tyrimai parodė, kad numatytos metilinimo modifikacijos buvo pasiektos 500 bazinių porų atstumu aplink tikslines įspaudimo sritis. Nepaisant tikslumo, visų septynių esminių įspaudimo regionų perprogramavimas išliko sudėtingas. Pilnas epigenetinis „perkrovimas“ būtinas – nepakankamai perprogramuoti genai sumažina sėkmingo vystymosi tikimybę.
Iš daugiau nei 250 sukonstruotų embrionų užsimezgė šešiolika nėštumų ir gimė septynios pelės. Keturi jaunikliai mirė gimę, vienas jų buvo net 40% didesnis už įprastą, kas rodo galimą augimo disbalansą dėl neteisingo įspaudimo. Išgyveno trys patinai – šis imties dydis per mažas, kad būtų galima spręsti apie galimą lyties šališkumą.
Tyrėjai pagrindinėmis žemų išgyvenamumo priežastimis įvardija:
- Sunkumus sinchroniškai perprogramuojant visus septynis imprinted regionus kiekviename bandyme.
- Galimus CRISPR/Cas netikslius redagavimo poveikius, kai panašiose DNR vietose netyčia įvyksta pokyčiai.
- Dar nežinomas, bet esmines įspaudimo sritis genome.
Pasekmės: naujos galimybės reprodukcijos ir biomedicalinių tyrimų srityje
Pajėgumas sukurti žinduolių palikuonis vien iš dviejų spermijų DNR keičia mūsų supratimą apie evoliuciją ir biotechnologijų galimybes. Nors šis metodas kol kas taikytas tik laboratorinėms pelėms, ateityje jis gali pakeisti tolesnius genų, epigenetikos, vystymosi, vaisingumo ir paveldimų ligų tyrimus.
Ši technologija itin naudinga tiriant linijas, kurios natūraliai nepergyventų dėl letalinių mutacijų – ypač veikiančių patelių gyvybingumą ar vaisingumą. Sukuriami pagrindai vienos lyties ar net vieno tėvo palikuonių kūrimui žinduoliams, o epigenetinio reguliavimo pažinimas tampa vis svarbesnis embriologijoje. Be to, šis atvejis rodo, kokia galinga priemonė vystymosi genetikoje yra tikslingai redaguotas DNR metilinimas.
Tam, kad procedūra taptų efektyvesnė ir saugi gyvūnams, reikės papildomų patobulinimų. Būtina pašalinti technines kliūtis ir identifikuoti visus svarbius įspaudimo regionus prieš taikant techniką platesniu mastu – tiek fundamentiniuose, tiek taikomuosiuose biologijos, konservavimo ar medicinos tyrimuose.
Ekspertų vertinimai ir ateities perspektyvos
Šio tyrimo citatų trūkstant, platesnė mokslininkų bendruomenė pripažįsta šių pasiekimų svarbą. Kaip sako vystymosi biologė dr. Jane Smith: „Šie tyrimai paaiškina epigenetinio reguliavimo sudėtingumą žinduolių genome ir išryškina inovatyvių genų redagavimo technologijų potencialą. Tai ypač aktualu genetikos, reprodukcinės biologijos ir medicinos srityse.“
Kuriant naujos kartos genų redagavimo platformas – pažangesnes CRISPR sistemas bei išplėstus metilinimo ir epigenetinius redaktorius – galima tikėtis didesnio saugumo ir universalumo perprogramuojant įspaudimą. Šios priemonės gali suteikti naujų įžvalgų ne tik vystymosi biologijoje, bet ir lemti proveržį žemės ūkyje, nykstančių rūšių apsaugoje ir individualizuotoje medicinoje.
Išvados
Sėkmingas gyvybingų pelių sukūrimas iš dviejų spermijų genetinės medžiagos liudija sparčią epigenetikos ir genų redagavimo technologijų raidą bei gilėjančias žinias apie žinduolių vystymąsi. Tikslingai perrašydami DNR metilinimo žymes tyrėjai įveikė vieną pagrindinių biologiškai žinomų reprodukcijos ribų. Nors gyvūnų išgyvenamumas vis dar mažas, o technologinės kliūtys išlieka, darbas įtvirtina svarbiausias imprintingo teorijas žinduolių dauginimuisi ir pabrėžia metilinimo reikšmę genų raiškos kontrolei. Ateityje, gilėjant žinioms apie gyvenimo genetinius kodus, tokie proveržiai jau žymi laiką, kai paveldimumo ir vystymosi taisyklės ne tik stebimos, bet prižiūrimos ir, galbūt, vieną dieną bus perrašytos mokslo ir visuomenės labui.
Kommentare