Ученые воссоздали хромосому крысы в клетках мышей

Новости МирТесен

Японские биологи провели исследование, в ходе которого им удалось извлечь одну хромосому из замороженных клеток крысы, поместить ее в мышиную яйцеклетку и продемонстрировать ее функциональность в процессе развития эмбриона. Это свидетельствует о том, что даже после продолжительного хранения в замороженном состоянии отдельные хромосомы способны сохранять свою активность и могут быть использованы для изучения или частичного восстановления генетической информации давно умерших животных.

В последнее время наблюдается значительный рост интереса к проектам по возвращению исчезнувших видов. Среди наиболее известных организаций, работающих в этой сфере, стоит выделить Colossal Biosciences, команда ученых занимается проектами по восстановлению популяций таких исчезнувших видов, как мамонт, маврикийский дронт, сумчатый волк, моа и другие животные.

Ученым не удалось получить образцы целостных живых клеток с неповрежденной генетической структурой. ДНК этих организмов сохранилась лишь в виде фрагментов различной длины. В связи с этим первоначально исследователи проведут секвенирование этих фрагментов, а затем при помощи биоинформатических методов попытаются собрать из них геном вымершего вида, подобно сборке мозаики.

Colossal Biosciences не планирует воссоздание полного генома вымершего животного в точности. После реконструкции ученые будут сравнивать его с геномом ближайшего ныне живущего родственника и выявлять участки, определяющие основные характеристики исчезнувшего вида. Затем эти гены будут отредактированы у современного вида с использованием передовых технологий CRISPR. Например, для мамонта ближайшим родственником является азиатский слон, их геномы совпадают примерно на 99,6 процентов.

Команда японских биологов и генетиков во главе с Терухико Вакаямой ( Teruhiko Wakayama) группа исследователей из Университета Яманаси предложила альтернативный метод: они попытались реконструировать не геном, а хромосому, используя замороженный материал. В качестве исходного материала были выбраны клетки крови из туш крыс, хранящихся при температуре минус 30 градусов Цельсия более года. Эти клетки инфицировали мышиные ооциты (женские половые клетки на различных стадиях созревания), где происходила конденсация хромосом. Результаты исследования были опубликованы в научной статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.

У одноклеточных и многоклеточных организмов геном распределен между хромосомами — длинными молекулами ДНК, упакованными с помощью специальных белков. Большую часть времени ДНК находится не в виде отдельных плотных хромосом, а в более «рыхлом» состоянии — хроматине. Перед тем, как клетка делится, хроматин конденсируется и формирует хромосомы. Эти структуры визуализируются при помощи микроскопа, используя флуоресцентные красители ДНК или специальные метки, связывающиеся с белками хроматина.

В случае успеха переноса отдельных хромосом из клеток тканей давно умерших животных в живые клетки современных организмов, это позволит не только исследовать функционирование древних генов, но и предоставит инновационный метод для перспективных проектов по сохранению находящихся под угрозой исчезновения видов.

В 2022 году другая японская команда вывела линию крыс, в клетках которых помимо обычного крысиного набора хромосом присутствовала еще и дополнительная 21-я хромосома человека. Изначально это исследование проводилось для изучения синдрома Дауна. Однако авторы той работы стремились разработать генетическую модель заболевания, тогда как перед группой Вакаямы стояла другая задача: выделить отдельную хромосому из замороженного биоматериала и установить, сохранится ли её функциональность в процессе развития эмбриона.

Изначально Вакаяма с соавторами поместили клетки крови мышей в обезнуклеаризованные мышиные яйцеклетки. Внутри этих клеток крысиные хромосомы начали уплотняться и формировать плотные структуры, которые можно было выделить.

Чтобы хромосомы смогли разойтись в цитоплазме, ученые подавили полимеризацию микротрубочек и извлекли целевую хромосому при помощи микроскопических инструментов. Далее ее перенесли в обычную мышиную яйцеклетку и оплодотворили сперматозоидом мыши, помеченным флуоресцентной меткой GFP, что позволило впоследствии проследить за развитием эмбриона.

В результате последующих исследований Вакаяме и его соавторам удалось довести развитие эмбрионов до бластоцистной стадии и выделить семнадцать линий эмбриональных стволовых клеток, причем две из них имели 41 хромосому. Анализ кариотипа выявил наличие 9-й крысиной хромосомы, интегрированной в геном мыши.

Для создания химерных мышей, представляющих собой организмы с генетически различной клеточной структурой, исследователи применили эмбриональные стволовые клетки. Анализ тканей выявил не только сохранность генов, расположенных на девятой хромосоме крысы, но и их активное функционирование в организмах химер.

Хотя ученым и удалось имплантировать и активировать отдельную хромосому крысы в клетки мыши, это нельзя назвать полным триумфом. Изначальная задача эксперимента заключалась не только в достижении редких позитивных результатов, но и в разработке стабильной системы, обеспечивающей постоянное сохранение и нормальное функционирование дополнительной хромосомы во всех клетках организма в процессе его развития.

На данный момент успешная интеграция произошла только с 9-й хромосомой крысы: она достаточно хорошо встраивается в клеточную среду мыши и способствует дальнейшему развитию эмбриона. В то время как другие попытки внесения хромосом в ходе эксперимента часто приводили к прерыванию или остановке развития эмбриона. Это указывает на то, что «межвидовая хромосомная» совместимость ограничена, и для разных хромосом могут потребоваться дополнительные механизмы адаптации внутри чужого генома.

В настоящее время специалисты изучают различные подходы для увеличения частоты успешных результатов. В частности, они предлагают провести тестирование методики на образцах тканей современных слонов. Помимо этого, Вакаяма находится в обсуждениях с командой исследователей, которые уже имели опыт изучить клеточные ядра мамонта Юка возрастом около 28 тысяч лет: наблюдали их частичную биологическую активность после переноса в мышиные яйцеклетки.

Полное клонирование мамонта из древних тканей представляется маловероятным из-за существенных повреждений его ДНК. В связи с этим современные исследования направлены не на воссоздание целого животного, а на изучение отдельных клеточных компонентов и анализ их функционирования в живых клетках.