Выращивание яйцеклеток и сперматозоидов в пробирке стало возможным уже давно. Однако заставить их участвовать в процессе мейоза (спаривания) in vitro не удавалось. В новом эксперименте ученые смогли это преодолеть.
Более шестой части населения планеты сталкивается с проблемами бесплодия в течение своей жизни. Существует настоятельная необходимость не только в расширении доступа к качественной помощи в области репродуктивной медицины, но и, что важно, в новых биомедицинских решениях, способных устранить основные причины бесплодия.
Некоторые из самых ранних причин связаны с нарушениями биологического процесса, известного как мейоз. Это специфический вид деления клеток, при котором формируются яйцеклетки и сперматозоиды (гаметы). Мейоз начинается с клетки-предшественницы, содержащей два набора хромосом: один от матери, а другой — от отца, и завершается образованием зрелых гамет.
В рамках этого процесса копии каждой хромосомы от матери и отца обмениваются информацией, создавая новые комбинации генетического кода, и в конечном итоге одна единственная копия каждой хромосомы должна быть распределена по образованным гамета. Ошибки в этих процессах могут вызывать аномальное количество хромосом (анеуплоидии), выкидыши и нарушения развития плода. Тем не менее, воспроизвести мейоз вне организма человека, что в конечном итоге дало бы возможность репродуктологам создавать здоровые гаметы для тех, кто не может этого сделать самостоятельно, оказалось крайне сложной задачей.
Исследователи из Института Висса Гарвардского университета и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработали метод in vitro, который позволяет дифференцировать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) на этапе мейоза. Внедрив в них набор генов, активирующих программы экспрессии, специфичные для мейоза, а также препараты, изменяющие клеточные сигналы, группа ученых впервые наблюдала начало мейоза в живых клетках человека за пределами организма. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Старший автор статьи, научный сотрудник Центра Висса доктор Джордж Черч отметил, что здоровые яйцеклетки и сперматозоиды — это следствие крайне сложного и подверженного ошибкам процесса. Новое исследование выходит за рамки привычного размножения клеток в чашке Петри. Это гораздо более глубокий процесс, и на данный момент ученые находятся в отличной позиции для поиска способов провести клетки через все оставшиеся стадии мейоза. Это создаст базу для моделирования различных дефектов и производства здоровых гамет для тех, кто не может пройти этот путь самостоятельно.
Быстрый путь к мейозу
Для создания яйцеклеток и сперматозоидов необходимо проводить клетки через весь процесс мейотических делений. В организме клетки-предшественники яйцеклеток и сперматозоидов переходят в состояние «первичной половой клетки» (ПЗК) перед тем, как начать мейоз. Ранее использованные методы культивирования позволяли достичь этого состояния, но полученные клетки не могли успешно развиваться дальше. Новый протокол полностью обходит эту проблему, что значительно упрощает процесс начала мейоза.
Для реализации метода ученые подобрали комбинации генов, которые, будучи активированы в клетках, запускают процесс. Сначала исследователи модифицировали стволовые клетки так, чтобы они становились флуоресцентными при старте мейоза. Затем они активировали нужные гены.
Ученые выяснили, что добавление в питательную среду двух различных химических веществ — синтетического аналога витамина А и ингибитора метилирования ДНК — дополнительно увеличивало эффективность начала мейоза. Так называемые метильные группы подавляют экспрессию соседних генов и удаляются в процессе нормального формирования гамет, создавая «чистую основу» для их дифференциации.
Исследуя комбинации факторов в 646 493 отдельных клетках, экспериментаторы выявили три регуляторных гена: BOLL, MEIOC и HOXB5, каждый из которых может инициировать мейоз. О первых двух ученые уже знали, а информация о HOXB5 стала неожиданностью. Кроме того, для предотвращения запрограммированной клеточной гибели во время индукции необходим ген BCL2, который стабилизирует митохондрии.
Мейоз предпочитает прохладу
Тщательный анализ экспрессии белков и РНК во время индукции мейоза, а также варьирование условий культивирования позволили команде сделать дополнительные интересные наблюдения. Клетки успешно прошли первые две стадии (лептонему и зигонему) примерно за 12 дней, что соответствует их резкой конденсации и периоду спаривания соответствующих хромосом от матери и отца. К 15-му дню несколько клеток достигли третьей стадии (пахинемы), когда парные хромосомы обмениваются информацией, но не продвинулись дальше. В настоящее время ученые оптимизируют свою систему, чтобы клетки могли пройти весь процесс.
Как мужские, так и женские клетки, полученные из ИПСК мужского и женского происхождения, более эффективно вступали в мейоз при температуре 34°C (температура яичек), чем при 37°C (температура тела). Ранее было известно, что для формирования сперматозоидов требуются более низкие температуры, но тот факт,
Фото: hi-tech.mail.ru