Прорыв в лечении бесплодия: ученые научились «запускать» мейоз в пробирке
Более одной шестой части жителей Земли сталкивается в течение жизни с проблемой бесплодия. Существует острая неудовлетворенная потребность не только в расширении доступа к высококачественной помощи в области репродуктивной медицины, но и, что важно, в новых биомедицинских решениях, способных устранить коренные причины бесплодия.
Некоторые из самых ранних причин связаны с нарушениями биологического явления, известного как мейоз. Это особый вид деления клеток, в ходе которого образуются яйцеклетки и сперматозоиды (гаметы). Мейоз начинается с клетки-предшественницы с двумя наборами хромосом: один унаследован от матери, а другой — от отца, и завершается образованием зрелых гамет.
В ходе этого процесса материнская и отцовская копии каждой хромосомы обмениваются информацией, генерируя новую комбинацию генетического кода, и, в конечном итоге, одна и только одна копия каждой хромосомы должна быть распределена по полученным гаметам. Ошибки в этих процессах могут привести к аномальному количеству хромосом (анеуплоидии), выкидышу и нарушениям развития плода. Однако воспроизведение мейоза вне организма человека, которое в конечном итоге позволило бы репродуктологам создавать здоровые гаметы для неблагополучных родителей, оказалось чрезвычайно сложной задачей.
Исследователи из Института Висса Гарвардского университета и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработали метод in vitro, позволяющий дифференцировать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) по ходу мейоза. Введя в них набор генов, активирующих специфичные для мейоза программы экспрессии, а также препараты, изменяющие обработку сигналов в клетках, группа исследователей впервые наблюдала инициацию мейоза в живых клетках человека вне организма. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Старший автор статьи, преподаватель Центра Висса доктор Джордж Черч подчеркнул, что здоровые яйцеклетки и сперматозоиды — это результат чрезвычайно сложного и подверженного ошибкам процесса. Новое исследование выходит за рамки привычного воспроизведения клеток в чашке Петри. Все гораздо глубже, и сейчас ученые находятся в отличном положении, чтобы найти способы провести клетки через все оставшиеся этапы мейоза. Это послужит основой для моделирования ряда дефектов и создания здоровых гамет для особей, которые не могут пройти этот путь самостоятельно.
Быстрый путь к мейозу
Чтобы создать сами яйцеклетки и сперматозоиды, необходимо уметь проводить клетки через весь процесс мейотических делений. В организме клетки-предшественники яйцеклеток и сперматозоидов проходят через так называемое состояние «первичной половой клетки» (ПЗК), прежде чем войти в мейоз. Ранее применявшиеся методы культивирования позволяли достичь нужного состояния, но полученные клетки не могли успешно развиваться дальше. Новый протокол полностью это обходит, что значительно упрощает процесс инициации мейоза.
Чтобы реализовать метод, ученые подобрали комбинации генов, которые при активации в клетках запускают процесс. Сначала исследователи сконструировали стволовые клетки так, чтобы они становились флуоресцентными при начале мейоза. Затем они активировали необходимые гены.
Ученые обнаружили, что добавление в питательную среду двух различных химических веществ — синтетического аналога витамина А и ингибитора метилирования ДНК — дополнительно повышало эффективность вступления в мейоз. Так называемые метильные группы подавляют экспрессию близлежащих генов и удаляются в процессе нормального развития гамет, создавая «чистую основу» для их дифференциации.
Тестируя комбинации факторов в 646 493 отдельных клетках, экспериментаторы обнаружили три регуляторных гена: BOLL, MEIOC и HOXB5, каждый из которых может активировать мейоз. О роли первых двух ученые ранее знали, а информация о HOXB5 оказалась неожиданной. Кроме того, для предотвращения запрограммированной клеточной гибели во время индукции необходим ген BCL2, стабилизирующий митохондрии.
Мейоз любит прохладу
Тщательный анализ экспрессии белков и РНК во время индукции мейоза, а также варьирование условий культивирования позволили команде сделать дополнительные интересные наблюдения. Клетки эффективно прошли первые две стадии (лептонему и зигонему) примерно за 12 дней, что соответствует периоду 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 мужских и женских ИПСК, вступали в мейоз более эффективно при температуре 34°C (температуре яичек), а не при 37°C (температуре тела). Ранее было известно, что для развития сперматозоидов требуются более низкие температуры, но тот факт, что более низкие показатели также способствовали развитию женских клеток, оказался неожиданным. Кроме того, помимо дифференцирующихся клеток, не прошедших через состояние, подобное ПЗК, большинство из них имели признаки клеток яичников и меньшее количество клеток яичек. Это позволило исследователям предположить, что данные условия преимущественно запускали программу дифференциации яйцеклеток даже при культивировании мужских ИПСК.
В ближайшей перспективе новый протокол может применяться для разработки мужских контрацептивов и тестирования новых препаратов на предмет потенциальной репродуктивной токсичности. В дальнейшем можно будет говорить о потенциале этой технологии в решении проблемы бесплодия путем выращивания здоровых яйцеклеток и спермы для людей, которые в них нуждаются.
Недавно в США прошла первая в истории гонка сперматозоидов. Организаторы посвятили необычное соревнование борьбе за репродуктивное здоровье жителей Земли.
