Изменение числа хромосом у животного может занять миллионы поколений, чтобы произойти в природе в ходе эволюции, и теперь ученые смогли сделать такие же изменения у лабораторных мышей в относительном мгновение ока.
Новая техника, использующая стволовые клетки и редактирование генов, является крупным достижением, и команда надеется, что она расскажет больше о том, как перестройка хромосом может влиять на то, как животные эволюционируют с течением времени.
Именно в хромосомах — этих цепочках белков и ДНК внутри клеток — мы находим наши гены, унаследованные от наших родителей и смешанные вместе, чтобы сделать нас теми, кто мы есть.
У млекопитающих, таких как мыши и люди, хромосомы обычно парные. Есть исключения, например, в половых клетках. Неоплодотворенные эмбриональные стволовые клетки обычно являются лучшей отправной точкой для работы с ДНК. Однако отсутствие этого дополнительного набора хромосом, предоставляемого сперматозоидом, лишает клетки важного шага в согласовании того, какие гены и какие хромосомы будут помечены как активные для выполнения работы по построению тела.
Этот процесс, называемый импринтингом, стал камнем преткновения для инженеров, стремящихся реструктурировать большие фрагменты генома.
Геномный импринтинг часто теряется, а это означает, что информация о том, какие гены должны быть активными, исчезает в гаплоидных эмбриональных стволовых клетках, что ограничивает их плюрипотентность и генную инженерию. Недавно ученые обнаружили, что, удалив три области импринтинга, мы можем установить в клетках стабильный паттерн импринтинга, подобный сперматозоидам.
Без этих трех естественно импринтированных областей было бы возможно прочное слияние хромосом. В своих экспериментах исследователи объединили две хромосомы среднего размера (4 и 5) и две самые большие хромосомы (1 и 2) в двух разных ориентациях, что привело к трем различным расположениям.
Слияние хромосом 4 и 5 было наиболее успешным с точки зрения передачи генетического кода потомству мышей, хотя размножение происходило медленнее, чем обычно. Одно из слияний 1 и 2 не давало потомства мышей, в то время как другое производило потомство мышей, которые были медленнее, крупнее и более беспокойными, чем те, которые получены от слияния хромосом 4 и 5.
По словам исследователей, снижение фертильности связано с тем, как хромосомы расходятся после выравнивания, что не происходит в обычном режиме. Это показывает, что хромосомная перестройка имеет решающее значение для репродуктивной изоляции — ключевой части способности видов эволюционировать и оставаться отдельными.
Лабораторная домашняя мышь сохранила стандартный 40-хромосомный кариотип — или полную картину хромосом организма — после более чем 100 лет искусственного размножения. Однако в более длительных масштабах времени изменения кариотипа, вызванные хромосомными перестройками, являются обычным явлением. У грызунов происходит от 3,2 до 3,5 перестроек на миллион лет, тогда как у приматов — 1,6.
Для сравнения: редкие скачки в хромосомной перестройке помогли направить эволюционный путь наших предков. Хромосомы, которые остаются отдельными у горилл, например, сливаются в одну в нашем человеческом геноме.
Подобные изменения могут происходить раз в несколько сотен тысячелетий. Хотя генетические правки, сделанные здесь, в лаборатории, были в относительно небольшом масштабе, есть признаки того, что они могут иметь серьезные последствия для вовлеченных животных.
Пока еще рано — в конце концов, это прежде всего наука, — но в будущем может появиться возможность исправить смещенные или деформированные хромосомы в человеческих родословных. Мы знаем, что у отдельных людей слияние и перемещение хромосом может привести к проблемам со здоровьем, включая детскую лейкемию.
Ученые экспериментально продемонстрировали, что событие хромосомной перестройки является движущей силой эволюции видов и важно для репродуктивной изоляции, обеспечивая потенциальный путь для крупномасштабной инженерии ДНК у млекопитающих.