Da biste napravili sisavca, potrebno vam je jaje i sperma. Ova dva potrebna genetska inputa povijesno su značila neuspjeh u pokušajima proizvodnje potomstva iz mužjaka mužjaka ili muškaraca ili žena. Ali zamagljivanjem granica između jajeta i sperme genetskom izmjenom, znanstvenici nam pomažu u kršenju pravila reprodukcije sisavaca.
Jučer je u časopisu Cell Stem Cell tim istraživača s Kineske akademije znanosti izvijestio o rođenju zdravog potomstva istospolnim roditeljima miša. Promjenom genoma jajašca nalik na one iz sperme, i obrnuto, znanstvenici su uspjeli prevladati veliku prepreku u biološkoj reprodukciji. Dječaci iz sindikata žena i žena preživjeli su dobro u odrasloj dobi, čak su postali i same majke, a kratkotrajne bebe dočekao je dvojac tata-tata.
"Ovo je nevjerojatno impresivno", kaže Ava Mainieri, biologinja koja proučava genetiku reprodukcije na Sveučilištu Harvard. "Ova tehnologija ima oko milijun implikacija za budućnost."
Istraživači su uspjeli prevladati dugogodišnji izazov proizvodnje sisavaca s roditeljima koji imaju samospol. Embrion sisavaca obično ima potrebu za dva genoma, a svaki sadrži rukopis genetskih uputa majke ili oca. Na taj način fetus nasljeđuje dvije kopije svakog pojedinog gena. Ali za mnoge gene, majčina ili očeva kopija prećutaju. Može se isključiti čitava regija jednog genoma, dok ti isti dijelovi genetskog koda drugog roditelja ostaju netaknuti.
"Ako su nukleotidi DNK tekst, [ove prirodne modifikacije] mogu se smatrati razmacima ili interpunkcijom koji daju takav značaj kompliciranom tekstu", objašnjava Mainieri, koji nije bio uključen u istraživanje.
Ponosna mama miš sa svojim potomcima. Majka miša na ovoj je fotografiji rodila dvije majke i živjela je ono što su znanstvenici smatrali normalnim zdravim životom. (Le-Yun Wang / Kineska akademija znanosti) Izazov je što se ovi razmaci i interpunkcije u svakom genomu moraju ispravno uskladiti - što se prirodno događa s roditeljima muškaraca. Taj se sitni fenomen naziva genomski utisak i presudan je za reprodukciju sisavaca. Ako se slučajno uključe kopije jednog od tih uobičajeno "otisnutih" gena oba roditelja, posljedice mogu biti katastrofalne, proizvodeći se plodovi veličine balona, bore se za hranjive tvari ili čak uopće ne uspijevaju postići termin.
Za znanstvenike koji pokušavaju uzgajati sisavce s istospolnim roditeljima, neophodan postupak utiskivanja genoma predstavlja veliku prepreku. Sredinom 20. stoljeća, kada su znanstvenici napravili neke od prvih pokušaja stvaranja mišjih embrija s dva ženska genoma, nije trebalo dugo da se matematika spajanja jajašca postane nered. Obje polovice genetskih uputa odražavale su utiskivanje majke, deaktiviranje i aktiviranje istih područja genoma - i bez očinskog dijela jednadžbe, neki su geni prekomjerno eksprimirani, dok drugi nisu pravilno uključeni.
Nedavno je skupina istraživača Kineske akademije znanosti na čelu s višim autorima Wei Liom, Qi Zhouom i Bao-Yang Huom odlučila isprobati novi alat za rješavanje problema. Maksimiziranje njihovih šansi za proizvodnju zdravog potomstva od istospolnih roditelja značilo je započinjati s najmanje moguće otisnutom stanicom - stanicama koje u genetskom kodu još nisu imale interpunkciju. Dakle, istraživači su stvorili neobičan skup jajašca i sperme izbrisavši neke utisnute tragove na genomu, u osnovi vraćajući sat na tim reproduktivnim stanicama dok nisu nalikovali neuređenom prvom nacrtu genetskog rukopisa.
Naoružani arsenalom "čistih" stanica, istraživači su namjeravali uzgajati bimaternalne miševe. Kako bi oponašali muškost, dodali su vlastitu verziju očinskog utiskivanja u čistu jajnu ćeliju, istrgnuvši tri poznata otisnuta područja iz njenog genoma. Ova tehnika je u osnovi izbrisala čitave odlomke ili poglavlja iz genetskog rukopisa jajeta, pretvarajući ga u reproduktivnu stanicu koja je djelovala više kao sperma. Zatim su novo manipuliranu stanicu ubrizgali u normalno jaje od drugog ženskog miša.
Na njihovo iznenađenje, 14 posto tih bimaternalnih embrija - ukupno 29 miševa - rođene su zdrave žene (bez Y kromosoma u reproduktivnoj mješavini, mužjaci su zajamčeno neplodnost). Nekoliko bimaternalnih miševa čak je odrastalo kako bi rodilo svoje zdrave štence (ovaj put prirodnijim sredstvom za začeće). Koliko su istraživači mogli reći, miševi bez oca bili su fizički i bihevioralno zdravi - no Zhou ističe da možda ima nedostataka u ovih miševa koji tim još nije otkrio.
Pred nama je stajao još veći izazov - dvostrani miševi. Lutka miša s dvije majke prvi je put odrasla 2004. godine (iako s mnogo nižim uspjehom od najnovijeg postignutog rada). Miševi bez oca bili su, na neki način, stara vijest. S druge strane, miševi bez majki bili bi "nevjerojatni", kaže Hugo Creeth, čiji se nesavjesni rad na Sveučilištu Cardiff također fokusira na genetsko otkrivanje.
Jedan od glavnih izazova rađanja miša s genetskim materijalom dvaju mužjaka, prema razvojnoj biologinji Sveučilišta u Pennsylvaniji, Marisa Bartolomei, jest da postoji mnogo više utiska koje se trebaju dogoditi na maminom genomu kako bi se ona ispravno spojila s očevim. Dodatni posao koji je potreban da se muški genom ponaša kao ženski genom može biti dio razloga reprodukcije uniseksa u nagibima prirode prema spojnicama žensko-žensko. (Dok su neki gmazovi, vodozemci i ribe sposobni za parenje samo kod ženki, samo je jedna vrsta - zebrafis - ikad rodila potomstvo bez majčinog doprinosa i samo u laboratoriju).
"[Čini se da] u usporedbi s binarnom reprodukcijom, treba prijeći više prepreka na granici dvosmjerne reprodukcije", kaže Li.
Unatoč izazovima, istraživači su uspjeli stvoriti živo potomstvo koristeći samo DNK od dva muška roditelja. Izmijenjena stanica sperme uklonila je šest genetskih područja kako bi više nalikovala ženskom genomu, a potom je kombinirana s normalnom spermom unutar praznog ženskog jajašca. (Prazno ili ne, kućica eggija je još uvijek potrebna za spajanje sperme i sperme.) Ti su neobični hibridni zametak - doslovno ljuske jajašca koje sadrže dvostruke doze očinske DNK - prenesene u surogat majku majku.
Znanstvenici mogu uzgajati miševe s dva oca, ali oni su rođeni s teškim oštećenjima i ne preživljavaju do odrasle dobi. (Le-Yun Wang / Kineska akademija znanosti) Preživjelo je nešto više od jedan posto potomstva. Nažalost, svi su štenati rođeni s teškim manama i umrli su gotovo odmah. Kada su istraživači uklonili sedmu otisnutu regiju iz uređenih stanica sperme, udvostručili su stopu preživljavanja. Štenci još uvijek nisu narasli do odrasle dobi, ali iako je tako, metoda je djelovala, a kratkotrajna održivost potomstva bila je monumentalna.
"To stvarno pokazuje da je utisak blok uniparentalnom razvoju", kaže Bartolomei. "Znali smo to iz majčinske perspektive, ali sada je to s bipaterima prvo."
Prema Liu, sljedeći korak je poboljšanje dugovječnosti za bipaternalne miševe. Još uvijek nije jasno što ubija miševe s dva genetska oca - moguće je da postoje i druge kritički utisnute regije koje još uvijek moraju biti genetski „upravljane“, kaže Bartolomei.
Zapravo, pomalo je čudo da je toliko malo genetskih manipulacija bilo dovoljno da transformira genom jednog spola u nešto što nalikuje drugom. Postoji preko 150 gena za koje se misli da su utisnuti u miševe - a popis neprestano raste - ali nije svaki od tih gena kritičan za rođenje živog potomstva.
Dok je nova tehnika genetske modifikacije radila na uzgoju jednopolnih miševa, Mainieri upozorava da će zahtijevati "ogroman, ogroman korak" da se ovi eksperimenti ponove u drugim sisavcima, uključujući ljude. Iako su Li, Zhou, Hu i njihovi kolege željni jednog dana prijeći na primate, nema garancije da će se pretpostavke u genetskom rukopisu jedne vrste lako prenijeti na druge.
Ipak, ova nova otkrića znače napredak u shvaćanju znanstvenika o ulozi genomskog utiskivanja u reprodukciji sisavaca. Uz to, postoji nekoliko poremećaja koji proizlaze iz nepravilnog utiskivanja u genom - pa čak i ako bebe bez majke ili oca nisu na horizontu, jednostavno razumijevanje ovih genetskih nazora moglo bi promijeniti naš pristup medicini.
"S ovim znanjem imamo sposobnost čitanja rečenica ili odlomaka [genomskog teksta] na način na koji nikad prije nismo", kaže Mainieri. "A to je ogromno."
