Новое исследование показало, что целенаправленное редактирование эпигенетических меток в ооците может быть использовано для получения жизнеспособного потомства без необходимости оплодотворения. Эпигенетически модифицированная самка мыши, рожденная из неоплодотворенной яйцеклетки, не только дожила до взрослого возраста, но и родила жизнеспособных детенышей. Мина Попович и Сусана Чува де Соуза Лопес из SIG Stem Cells сообщают.
Успешное развитие млекопитающих зависит от взаимодополняющего вклада обоих полов, поскольку различия между материнским и отцовским геномом обеспечивают нормальный эмбриогенез после оплодотворения. Эти различия включают специфические для пола эпигенетические метки, или геномные отпечатки, которые приводят к моноаллельной, специфической для родителей экспрессии небольшого числа генов (около 150). Это явление геномного импринтинга оказывает решающее влияние на регуляцию развития млекопитающих, обеспечивая баланс в экспрессии генов между отцовским и материнским геномами.
Импринтированные гены связаны с регионами дифференциального метилирования ДНК, называемыми "регионами контроля импринтинга". Волна деметилирования ДНК, которая происходит сразу после образования первичных половых клеток, стирает большую часть эпигенетических отпечатков предыдущего поколения, которые затем должны быть восстановлены во время мужского или женского гаметогенеза, в зависимости от пола эмбриона.
О важности геномного импринтинга стало известно после попыток создания мышей с двумя материнскими геномами (гиногенетические эмбрионы) или двумя отцовскими геномами (андрогенетические эмбрионы). (1,2) Неспособность таких эмбрионов развиваться после имплантации показала, что материнский и отцовский геномы функционально не эквивалентны. Соответственно, диплоидный геном, полученный только от одного пола путем партеногенеза (репликация ДНК, превращающая гаплоидную гамету в диплоидную клетку), не способен поддерживать полноценное развитие эмбриона. В случае самцов попытка партеногенеза предпринималась путем помещения одного сперматозоида в энуклеированную зрелую яйцеклетку. Однако как у самцов, так и у самок млекопитающих партеногенез был крайне ограничен. В партеногенетических эмбрионах дисрегуляция происходит из-за двойного установления материнско-специфических или отцовско-специфических отпечатков.
В замечательной попытке преодолеть этот репродуктивный барьер у самок, исследователи под руководством Янчана Вэя из больницы Рен Цзи в Шанхае использовали новый подход к редактированию нескольких областей контроля импринтинга в ооцитах мыши с помощью метилирования-переписывания. (3) Основанный на технологии CRISPR-Cas, этот метод позволяет нацеливаться на аллель-специфические области контроля импринтинга. Исследователи выбрали для редактирования два отцовских и пять материнских метилированных регионов ДНК, связанных с генами, которые, как известно, являются критическими для эмбрионального развития. Дисрегуляция этих генов приводит к эмбриональной или постнатальной летальности или тяжелым нарушениям развития.
Исследователи отредактировали в общей сложности 389 ооцитов. После их партеногенетической активации 227 (58,4%) ооцитов образовали диплоидные "зиготы". Около 85% партенотипов развились в бластоцисты, которые затем были пересажены самкам-реципиентам. Всего было получено три детеныша, два из которых погибли в течение первых 24 часов. Оставшийся детеныш самки вырос до взрослого состояния. Дальнейшее тестирование полученных мышей показало, что правильное метилирование ДНК во всех семи регионах контроля импринтинга необходимо для полноценного развития, поскольку выжившая мышь была единственной, у которой наблюдались правильные паттерны импринтинга во всех семи регионах.
Однако, несмотря на достижение взрослого возраста, у партеногенетической мыши наблюдалась постнатальная задержка роста. Авторы приписали эти дефекты другому критическому отцовскому метилированному региону контроля импринтинга, который не был отредактирован. Тем не менее, мышь смогла спариться и родила нормальных, жизнеспособных детенышей. Такой результат был ожидаем, поскольку половые клетки партеноты подвергаются эпигенетическому перепрограммированию, в результате чего сбрасываются практически все эпигенетические метки.
Примечательно, что редактирование генов ранее использовалось для получения биматеринских мышей, а совсем недавно Li et al. создали биматеринских и бипатеринских мышей путем удаления областей импринтинга в гаплоидных эмбриональных стволовых клетках, которые затем были введены в зрелые ооциты. (4,5) Однако это последнее исследование PNAS - первое, в котором было создано потомство из одной неоплодотворенной ооциты млекопитающего.
Успех партеногенеза у млекопитающих имеет исключительную ценность для понимания роли импринтированных генов в развитии и болезнях. Эта работа также способна повысить эффективность клонирования животных, что имеет важное применение в сельском хозяйстве, а также для сохранения исчезающих видов. Однако, что особенно важно, низкий процент успеха и аномальное развитие делают нецелесообразным применение этой работы на людях. Дальнейшие исследования в области геномного импринтинга необходимы для обеспечения безопасности генетических манипуляций с использованием импринтированных генов. Геномный импринтинг оказывает влияние на чрезвычайно широкий спектр биологических процессов, последствия которых распространяются на взрослую жизнь и могут играть важную роль в развитии различных заболеваний. Тем не менее, будущие исследования на животных моделях, безусловно, позволят получить ценные сведения о ключевых аспектах репродукции, включая эпигенетическую регуляцию генов во время развития.
1. McGrath J, Solter D. Completion of mouse embryogenesis requires both the maternal and paternal genomes. Cell 1984; 37: 179–1832. Yao Q-Y, Yuan X-Q, Liu C, et al.
2. Surani MH, Barton SC, Norris ML. Development of reconstituted mouse eggs suggests imprinting of the genome during gametogenesis. Nature 1984; 308: 548–550.
3. Wei Y, Yang CR, Zhao ZA. Viable offspring derived from single unfertilized mammalian oocytes. PNAS 2022; doi.org/10.1073/pnas.2115248119
4. Kono T, Obata Y, Wu Q, et al. Birth of parthenogenetic mice that can develop to adulthood. Nature 2004; 428: 860–864.
5. Li Z-K, Wang L-Y, Wang L-B, et al. Generation of bimaternal and bipaternal mice from hypomethylated haploid ESCs with imprinting region deletions. Cell Stem Cell 2018; 23: 665-676.e4.imprinted genesparthenogenesis
Оригинальный материал
ИНФОРМАЦИЯ ПРЕДНАЗНАЧЕНА ДЛЯ СПЕЦИАЛИСТОВ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ