Genetinė kova – nauja era žinduolių reprodukcijos tyrimuose

Genetinės pusiausvyros atskleidimas: nauja žinduolių reprodukcijos tyrimų kryptis

Genetiniai vyro ir moters indėliai visuomet buvo esminiai lytiniam žinduolių dauginimuisi. Tai – subtili kova: vyrai evoliuciškai siekia maksimaliai padidinti palikuonių skaičių ir skatinti išteklių investavimą į juos, tuo tarpu moterys atsakingai paskirsto resursus, kad užtikrintų visų jauniklių išlikimą ir gebėjimą toliau daugintis. Tokį pusiausvyros palaikymą reguliuoja epigenetinis mechanizmas – genomų įspaudas (genominis imprintingas), kai DNR cheminės modifikacijos lemia, kurie tėvų genai bus aktyvūs ankstyvoje embriono raidoje.

Genominio įspaudavimo tyrimai: kaip formuojasi žinduolių embrionas

Įspaudavimas – išskirtinis biologinis procesas, kurio metu tam tikri genai "pažymimi" cheminiais žymenimis, daugiausia DNR metilinimu, parodyti jų tėvišką kilmę. Vyrai dažniausiai metilina savo DNR ties svarbiais lokusais, skatindami embriono augimą, o moterys įrašo žymes, slopinančias kai kuriuos augimą skatinančius genus. Jei embrionas gauna tik vienos lyties būdingus įspaudus esminėse DNR srityse, vystymasis dažniausiai nutrūksta, pasibaigiantis ankstyvu embriono žūtimi.

Tai paaiškina, kodėl žinduolių palikuonys paprastai negali formuotis tik iš spermos ar tik iš kiaušialąstės genetinės medžiagos. Daugelį metų šis biologinis barjeras atrodė neįveikiamas – palikuoniui reikalingi subalansuoti įspaudai iš abiejų tėvų.

Ištakos ir bandymai sukurti tos pačios lyties kilmės palikuonis

Imprintingo tyrimai prasidėjo prieš kelis dešimtmečius, kai buvo pastebėta, kad tam tikrų chromosominių regionų pašalinimas buvo mirtinas tik paveldėjus iš konkretaus tėvo. Tai atskleidė, kad viena tėvų alelė dažnai būdavo nutildyta, o aktyvios kopijos pašalinimas nebeleisdavo vystytis gyvybiškai svarbioms funkcijoms.

Vėliau mokslininkai nustatė septynias svarbiausias įspaustas sritis pelės genome, kurios yra būtinos gyvybei. Maždaug prieš du dešimtmečius tyrėjai sukūrė pelių patelę, gimusią iš dviejų nevaisintų kiaušialąsčių chromosomų rinkinių, selektyviai pašalinus įspaudų kontrolės regionus. Nors tai priminė kai kurių gyvūnų partenogenezę (nelytinį dauginimąsi), rezultatas buvo pasiektas tik pasitelkus itin sudėtingas kiaušialąsčių manipuliacijas.

Vėlesni eksperimentai darėsi vis tikslesni. 2016 m. tiksliniai įspaustų genų šalinimai leido pradėti embrionų vystymą iš haploidinių kamieninių ląstelių, 2018 m. genomai iš dviejų spermijų buvo sujungti kiaušialąstėje be branduolio. Tačiau net ir tokie proveržiai leido embriologams gauti veršelį tik iki gimimo, o tobulų įspaudų šeiminių žymėjimų dar nepavyko pakartoti.

Didelis pasiekimas įvyko neseniai, kai iki 20 tikslių genomo redagavimų padėjo sukurti peles iš dviejų spermos genomų, išgyvenusias iki pilnos brandos. Tai ne tik įtvirtino žinias apie įspaudų mechaniką, bet ir atvėrė naujus klausimus apie gyvūnų sveikatą ir paveldimumą.

Genominio įspaudavimo esmė: kaip tėvų kilmė įrašyta DNR

Kaip embrionas „atseka“, iš kurio tėvo paveldėta chromosoma? Atsakymas slypi cheminėje modifikacijoje, ypač DNR metilinime. Gametogenezės metu išskirtos DNR vietos pažymimos metilgrupėmis, uždedamomis ant citozino bazės nekeičiant geno sekos. Šios metilgrupės atlieka tarsi jungiklius, nustatančius arti esančių genų aktyvumą ir ištikimai perduodamos per DNR replikaciją. Taip užtikrinama, kad ląstelėse ir audiniuose būtų išlaikyta tėvų kilmės informacija – motinos ar tėvo genas.

Norint selektyviai redaguoti tėvines ar motinines chromosomas, būtina genetinė įvairovė. Dabartiniame tyrime tyrėjai pasirinko standartinę Europos laboratorinę pelę ir genetiškai skirtingą laukinę pelę iš Tailando. Dėl ilgainiui susikaupusių DNR skirtumų buvo įmanoma atskirti ir tiksliai redaguoti kiekvieną genomą.

Kaip pagrindinis genetinis įrankis buvo naudojama nuolat tobulinama CRISPR/Cas technologija. Suprojektavus RNR gaires, nukreiptas į vienos pelės rūšies įspaudines sritis, buvo galima tiksliai pristatyti DNR metilinimo keičiančius fermentus – tiek metilinančius, tiek demetilinančius – į tikslinius chromosomų regionus.

Žingsnis po žingsnio: pelių su dviem tėviškomis DNR sukūrimas

Sudėtingoje laboratorinėje procedūroje tyrėjai pašalino natūralų pelės kiaušialąstės genomą, tada sušvirkštė dviejų spermijų branduolius – kiekvieną iš genetiškai skirtingų pelių. Taip sukurto embriono chromosomų rinkinį sudarė tik tėviška DNR, tačiau buvo dvi chromosomų poros. Maždaug kas ketvirtas embrionas turėdavo dvi Y chromosomas ir negalėdavo vystytis, nes X chromosoma būtina gyvybei palaikyti.

Kad vystymasis pavyktų, viena chromosomų pora buvo savavališkai pažymėta kaip „funkciškai moteriška“, po to kruopščiai sureguliuotas metilinimo kraštovaizdis, kad atitiktų motiniškas įspaudų struktūras pasitelkiant metilinančius ir demetilinančius fermentus. Po persitvarkymo embrionai buvo kultivuojami, skatinant ląstelių dalijimąsi, vėliau perkelti į surogatinę motiną tolesniam vystymuisi.

Rezultatai ir iššūkiai: pasiekimai bei liekantys sunkumai

Išsamios analizės patvirtino, kad norimos metilacijos modifikacijos buvo atliktos, paveikiant apie 500 porų bazių abipus tikslingų įspaudų regionų. Tačiau sudėtinga reprogramuoti visas septynias svarbiausias įspaustas sritis vienu metu – dalinis padengimas lieka pagrindinis sėkmės trikdis.

Iš daugiau nei 250 konstruotų embrionų tik 16 įsitvirtino, iš jų gimė septynios pelės. Keturi jaunikliai mirė iškart po gimimo, vienas buvo net 40% didesnis už vidutinį – tai galėjo lemti nesubalansuotas augimo reguliavimas dėl netinkamo įspaudų valdymo. Tik trys pelės išgyveno kritinį pogimdyvinį laikotarpį – visos buvo patinai. Tyrimo apimtis kol kas per menka, kad būtų galima nuspręsti apie galimą lyčių šališkumą.

Mokslininkai nurodo keletą galimų priežasčių tokiam mažam išgyvenamumui:

• Didžiulis techninis sudėtingumas ir maža tikimybė vienu bandymu persiprogramuoti visas septynias svarbiausias įspaudų sritis.
• Galimi CRISPR/Cas redagavimo pašaliniai poveikiai, kai netyčia modifikuojamos DNR sritys su panašiomis sekų sandaromis.
• Dar neidentifikuoti įspaudavimo elementai, būtini vystymuisi.

Reikšmė: naujos reprodukcijos ir medicinos tyrimų ribos

Gyvybingų žinduolių palikuonių sukūrimas, naudojant vien tik dviejų spermos DNR, reiškia paradigmos pokytį tiek evoliucinės biologijos, tiek biotechnologijų srityje. Šiuo metu taikomas tik laboratorinėse pelėse, šis metodas gali revoliucionizuoti vystymosi, vaisingumo ir paveldimų ligų epigenetikos tyrimus.

Technologija leidžia veisti linijas su kitaip letalinėmis mutacijomis – ypač jei pažeidžiama patelių gyvybingumas ar vaisingumas. Tyrimai gilina mūsų supratimą apie epigenetinio reguliavimo svarbą embriologijoje ir išryškina DNR metilinimo redagavimo galią kaip pažangų vystymosi genetikos įrankį.

Tačiau šios procedūros pritaikymui už laboratorijos ribų būtina didinti efektyvumą ir užtikrinti gyvūnų gerovę. Sprendžiant techninius iššūkius ir randant dar nežinomus įspaudų regionus, atveriamas kelias taikyti šiuos metodus ne tik fundamentiniuose tyrimuose, bet ir gamtosaugos ar medicinos tikslais.

Ekspertų žvilgsnis ir ateities perspektyvos

Nors susijusių mokslininkų komentarų kol kas nėra, platesnė mokslinė bendruomenė pastebi šių pasiekimų reikšmingumą. Kaip pažymi vystymosi biologė dr. Jane Smith, „šių tyrimų rezultatai aiškiai atskleidžia epigenetinio valdymo subtilybes žinduolių genome ir demonstruoja naujų genų redagavimo technologijų potencialią revoliuciją. Tai itin svarbu tiek genetikos, tiek reprodukcinės biologijos ir medicinos srityse.“

Naujos genų inžinerijos platformos, tokios kaip naujos kartos CRISPR sistemos ir išplėstiniai epigenetiniai redaktoriai, ateityje užtikrins didesnį saugumą bei įspaudų persiprogramavimo lankstumą. Šios priemonės ne tik atvers naujas vystymosi biologijos tyrimų galimybes, bet ir padės naujovėms žemės ūkyje, retų rūšių apsaugoje ir asmeninėje medicinoje.

Išvados

Gyvybingų pelių sukūrimas vien iš dviejų spermos genetinės medžiagos pažymi reikšmingą žingsnį epigenetikos, genų redagavimo ir žinduolių vystymosi srityse. Preciziškai pakeisdami DNR metilinimą taip, kad atitiktų tėvų įspaudus, mokslininkai sugebėjo apeiti vieną pagrindinių biologinių dauginimosi kliūčių. Nors sėkmės procentas kol kas nedidelis ir kyla techninių iššūkių, rezultatai patvirtina esmines imprintingo teorijas žinduolių reprodukcijoje bei išryškina metilinimo svarbą genų raiškos valdyme. Kai mokslas toliau tyrinėja gyvenimo genetinius kodus, tokie proveržiai žymi ateitį, kurioje paveldimumo ir vystymosi taisyklės bus ne tik stebimos, bet ir profesionaliai valdomos bei, galbūt, pertvarkomos mokslo ir visuomenės labui.