Як зробити яйцеклітину зі шкіри

Головним завданням науки біології є зрозуміти, що таке життя. А найнадійнішим способом встановити, чи біологи правильно все розуміють, є створення живого в штучних умовах. Поки до цієї мети ще далеко, але на різних рівнях живого ведеться активна робота, яка ланка за ланкою дозволяє нам відтворити процес появи живого організму. Поки легендарний Крейг Вентер створює бактерії із штучно синтезованим геномом, японські дослідники працюють над вирощуванням будь-яких клітин ссавців у пробірці. Цього разу їм вдалося найскладніше: вони зробили штучну яйцеклітину.

Статеві клітини – це особливі клітини. Вже в заплідненій яйцеклітині амфібій можна виділити ділянку цитоплазми, яка відрізняється від інших частин за складом білків та РНК. Цю ділянку називають “зародковою плазмою” та саме з неї беруть початок статеві клітини. Під час дроблення зиготи з зародкової плазми утворюється група клітин “первинні гоноцити“, які являють собою так звану “зародкову лінію”: всі клітини-нащадки цієї лінії будуть статевими й ніякими іншими. У ссавців клітини зародкової лінії не настільки гарно вирізняються, проте навіть у них за допомогою біохімічних методів можна прослідкувати ці клітини з перших тижнів розвитку зародку. У мишей це сьомий день розвитку, в людини – третій тиждень.

Але статеві клітини мають знаходитися в статевих залозах – у випадку яйцеклітин це яєчники. Проте на початку зародкової лінії нема не тільки яєчників, але й мозку, серця, легень – та й взагалі жодних інших органів. Ембріон в цей час являє собою двошаровий мішечок, гаструлу. Тому ті самі гоноцити вимушені рости й розмножуватися серед абсолютно незнайомих сусідів, причому не всередині ембріона, а ззовні!. Більше того, коли утворяться зародки яєчників, це відбудеться зовсім в іншому місці ембріона. Нічого не лишається незрілим статевим клітинам, як тільки відправлятися в далеку путь – шукати нову рідну домівку. Крім того, по дорозі вони ще мають встигнути розмножитися – їх стає у 100-200 разів більше. Пару сантиметрів ембріонних відстаней гоноцити мишей долають близько 5 діб. Попри всі негаразди наші героїні все-таки досягають яєчників та вже в затишних тепличних умовах потихеньку дозрівають.

В яєчнику гоноцити потихеньку перетворюються на оогонії, а далі на ооцити І порядку– клітини, які вже схожі на яйцеклітини, але мають ще подвійний набір ДНК (2n), як і звичайні соматичні клітини. По мірі дозрівання відбувається спеціальний статевий поділ, мейоз, в результаті якого яйцеклітина набуває одиничного набору молекул ДНК (1n). Мейоз відбувається у дві стадії, перед якими ооцит подвоює кількість власної ДНК до 4n. Під час першого поділу мейозу набір повертається до 2n, а після другого – 1n. Цікаво, що мейоз яйцеклітини в ссавців є, напевне, найбільш довгим клітинним поділом, оскільки може тривати до 50 років! Перший поділ мейозу проходить на 5-6 місяці ембріонального розвитку людини, а другий починається під час овуляції, а закінчується – після запліднення сперматозоїдом (якщо пощастить). Весь цей час яйцеклітина проводить у фолікулі – пухирці з допоміжних клітин.

А ось усі ці складні перетворення – від гоноцитів до яйцеклітин, міграція, диференціація, мейоз – регулюються сотнями генетичних, білкових та гормональних сигналів. Біологи всього світу десятиліттями розшифровували ці сигнали, збирали їх в єдину модель розвитку яйцеклітини, щоб можна було відтворити весь цей процес у пробірці. Всі маленькі кроки на цьому шляху перелічити важко, але головні з них такі. У 2003 році науковці з США змогли з ембріональних стовбурових клітин (раптом, нам про них щось напише Оля Маслова?) створити клітини, подібні до оогоніїв. Ці оогонії в чашках Петрі утворювали пухирці, схожі на фолікули, а потім ставали схожі на ооцити та починали мейоз. За багатьма хімічними показниками та активністю певних генів ці клітини можна було вважати незрілими яйцеклітинами.

У 2012 році група японських клітинних біологів змогла з ембріональних стовбурових клітин мишей виростити клітини, подібні до гоноцитів. Окрім звичайного для таких експериментів визначення біохімічних та генетичних показників, японці довели ідентичність штучно отриманих клітин природним прямим, хоча й технічно дуже складним способом: вони замінили ембріону на ранньому етапі розвитку його власні попередники стовбурових клітин на отримані в культурі. Такі ембріони змогли розвинути нормальні яйцеклітини, які могли нормально запліднюватися.

Нарешті тепер, у 2016 році вийшла наукова публікація, де ті ж японські науковці змогли зібрати всі етапи до купи та

продемонструвати повний цикл розвитку мишей від яйцеклітини до яйцеклітини. Спочатку вони взяли ембріональні стовбурові клітини миші та примусили їх диференціюватися в гоноцити, як і в попередній роботі. Далі ці гоноцитоподібні клітини змішали з виділеними з мишачих ембріонів клітинами зародків яєчників. Суміш клітин почала злипатися, утворюючи пухирці – фолікули “штучного яєчника”. Клітини в цих “фолікулах” почали змінюватися, перетворюватися на схожі на оогонії, а потім переходити до мейозу. Далі за допомогою жіночих статевих гормонів – гонадотропінів та фолікулостимулюючого гормону (ФСГ) – дослідники стимулювали в ооцитів перехід до другого поділу мейозу. В цей час експериментальні клітини за розміром та формою були максимально схожі на нормальні зрілі яйцеклітини мишей. Більше того, епігенетичні мітки, характерні для жіночих статевих клітин, були присутні й в експериментальних. Об’єм і складність усіх проведених аналізів не дозволяють навести та описати їх у цьому короткому дописі, але промовистими є факти: статтю подано до журналу Nature у жовтні 2015, а надруковано лише в жовтні 2016, цілий рік роботи; крім того, текст власне статті з ілюстраціями займає 4 сторінки, тоді як додаткові ілюстрації – 11 сторінок (це не рахуючи допоміжних матеріалів). Попрацювали добре й дорого, зате задовольнили найприскіпливіших рецензентів.

Все свідчило про те, що клітини “справжні”. Залишилося завершити цикл: провести запліднення. Отримані яйцеклітини запліднили сперматозоїдами “в пробірці” (in vitro), довели до першого поділу (стадія 2 бластомерів) – і підсадили до підготованих самиць мишей-альбіносів. Щоб ви розуміли рівень популярних оповідок про армії клонів, якими підступні вчені, світовий уряд та інші жидорептилоїди (потрібне підкреслити) ось-ось наповнять наш світ: з 316 двохклітинних зародків авторам вдалося отримати 11 мишенят. Нагадую, це миші, най-найдосліджена модель для клітинних маніпуляцій – з тваринами розміром з козу все значно складніше. Так от, ці мишенята народилися здоровими, з ознаками лінії ембріональних стовбурових клітин, зокрема з кольоровими очима (нагадую, матері були альбіносами, як і батьки, в яких брали сперматозоїди для запліднення). Всі мишенята виросли здоровими та прожили нормальне мишаче життя: ніхто не помер передчасно, всі були здатні до розмноження, ні в кого не було пухлин. Отже, цикл вдалося відтворити успішно.

Раніше на “Моїй науці” ми писали про індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (ІПСК). Це стовбурові клітини, які можна отримати з клітин шкіри ссавців, у тому числі й наших читачів, абсолютно безболісно. Ці клітини вже використовують для досліджень органів людини, до яких непросто дістатися (таких як мозок або серце), а також придивляються до їх можливостей у якості засобу лікування різних видів клітинної недостатності. Ось такі мишачі ІПСК взяли й наші японські клітинні біологи та й спробували за згаданою методикою перетворити їх на яйцеклітини. І знову їм це вдалося. Ще 6 чудових здорових мишей виросло з “пробірки”.

Експеримент завершився успіхом, і природно, що вчені одразу дивляться далі: в бік людини. Чи можемо ми виростити яйцеклітину з модифікованих клітин шкіри, додати до неї сперматозоїди, які неважко позичити в чоловіків, провести запліднення та отримати “етично чисті” ембріони? В них не буде матері, а батько ніколи не дізнається (без детального генетичного аналізу) чи це саме його сперматозоїд дав початок ембріональним клітинам, які спасуть чиєсь життя. На жаль, від цієї благородної мети нас відділяє один нездоланий поки бар’єр. Вже прокрутили статтю наверх і знайшли його? Так, оці слова: ” клітини змішали з виділеними з мишачих ембріонів клітинами зародків яєчників”. Для вирощування яйцеклітини навіть з клітин шкіри все ще треба взяти шматочок ембріона.

З іншого боку, такі клітини, ймовірно, скоро можна буде отримати з тих самих ІПСК. Але це вже тема наступних досліджень. Хоча вже зараз зрозуміло, що час, коли ми зможемо вирощувати собі будь-які клітини з власної шкіри, стрімко наближується.

Джерела:

• Orie Hikabe, Nobuhiko Hamazaki, Go Nagamatsu, Yayoi Obata,  Yuji Hirao, Norio Hamada, So Shimamoto, Takuya Imamura, Kinichi Nakashima, Mitinori Saitou, Katsuhiko Hayashi. Reconstitution in vitro of the entire cycle of the mouse female germ line. Nature    539,    299–303    (10 November 2016)    DOI:10.1038/nature20104
• Hayashi, K., Ogushi, S., Kurimoto, K., Shimamoto, S., Ohta, H., & Saitou, M. (2012). Offspring from oocytes derived from in vitro primordial germ cell–like cells in mice. Science, 338(6109), 971-975. DOI: 10.1126/science.1226889

• Hübner, K., Fuhrmann, G., Christenson, L. K., Kehler, J., Reinbold, R., De La Fuente, Wood, J., Strauss III,  J. F., Boiani, M.,  Schöler, H. R. (2003). Derivation of oocytes from mouse embryonic stem cells. Science, 300(5623), 1251-1256.

   

Автор: Олексій