Modificările chimice ale ADN -ului permite ADN -ului din două spermatozoizi să facă un șoarece.
Pentru multe specii, producerea unui embrion este un concurs între bărbați și femei. Bărbații își doresc cât mai mulți urmași și doresc ca femelele să dedice cât mai multe resurse pentru fiecare dintre ele. Femelele se descurcă mai bine păstrându -și opțiunile deschise și distribuind resurse într -un mod pentru a maximiza numărul de urmași pe care îi pot produce pe parcursul vieții.
La mamifere, acest lucru se joacă prin modificarea chimică a ADN -ului, proces numit imprimare. Bărbații își imprimă ADN -ul adăugând modificări de metil la acesta într -un mod care modifică activitatea genelor pentru a promova creșterea embrionilor. Femelele fac lucruri similare din punct de vedere chimic, dar se concentrează pe închiderea genelor care promovează creșterea embrionară. Într -o mână de regiuni cheie ale genomului, doar modificările specifice unui sex este letală, deoarece embrionul nu poate crește pentru a se potrivi cu stadiul său de dezvoltare.
O consecință în acest sens este că, în mod normal, nu puteți produce embrioni folosind doar ADN -ul din ouă sau din spermă. În ultimii ani, cercetătorii au lucrat treptat în jurul necesității site -urilor imprimate pentru a avea o copie de la fiecare părinte. Acum, într -o demonstrație foarte sofisticată, cercetătorii au utilizat editarea țintită a metilării pentru a produce șoareci din ADN -ul a două spermatozoizi.
Părinți de imprimare și de același sex
Există o istorie lungă de studiere a amprentelor la șoareci. Cu mult înainte ca genomul să fie secvențiat, oamenii au identificat anumite părți ale cromozomilor care, dacă au fost șterși, erau letale – dar numai dacă sunt moștenite de la unul dintre cele două sexe. Au dedus corect că acest lucru a însemnat că genele din regiune sunt în mod normal inactivate în celulele germinale ale unuia dintre sexe. Dacă sunt șterse în celălalt sex, atunci combinația care are ca rezultat urmașii – lipsirea unui cromozom, inactivat în celălalt – este letală.
De -a lungul timpului, au fost identificate șapte regiuni critice imprimate, împrăștiate în întregul genom. Și, cu aproximativ 20 de ani în urmă, o echipă a reușit să găsească ștergerea potrivită pentru a permite o femeie de sex feminin naște urmașilor care a primit un set de cromozomi de la fiecare din două ouă nefertilizate. Cercetătorii au atras paralele cu animalele care se pot reproduce prin partenogeneză, unde femeia naște folosind ouă nefertilizate. Dar exemplul de șoarece a luat în mod evident un mare asistență prin manipularea celulelor de ou în cultură înainte de a fi implantat la un șoarece.
Până în 2016, cercetătorii au editare în mod specific în ștergerea genelor imprimate pentru a permite crearea embrionilor Fuzionând liniile de celule stem care aveau doar un singur set de cromozomi. Acest lucru a fost mult mai concentrat decât experimentul inițial, deoarece ștergerile au fost mai mici și au afectat doar câteva gene. Până în 2018, aceștia au extins repertoriul, descoperind cum să obțină genomii a două spermatozoizi într -un ou nefertilizat, cu propriul său genom eliminat.
Cu toate acestea, produsele a doi părinți bărbați au murit a doua zi după naștere. Acest lucru se datorează fie compensației necorespunzătoare pentru imprimare, fie pur și simplu pentru că ștergerile au avut un impact suplimentar asupra sănătății embrionului. A durat până la începutul acestui anatunci când o combinație foarte specifică de 20 de modificări și ștergeri diferite ale genelor au permis șoarecii generați folosind cromozomii din două celule spermatozoizi pentru a supraviețui până la vârsta adultă.
Problema cu toate aceste eforturi este că ștergerile pot avea impacturi asupra sănătății asupra animalelor și pot provoca în continuare probleme dacă sunt moștenite de la sexul opus. Așadar, deși este o modalitate interesantă de a confirma înțelegerea noastră despre rolul imprimării în reproducere, nu este neapărat calea către utilizarea acestui lucru ca un instrument de reproducere fiabil. Ceea ce ne aduce în cele din urmă la cercetările actuale.
Rulați -vă propria amprentă
Lăsat în afara celor de mai sus este natura imprimării în sine: cum se marchează o bucată de cromozom și toate genele de pe ea ca provenind de la un bărbat sau o femeie? Secretul este de a modifica chimic acea regiune a ADN -ului într -un mod care nu modifică împerecherea bazelor, dar îi permite să fie recunoscută ca fiind distinctă de proteine. Cel mai obișnuit mod de a face acest lucru este de a lega un singur atom de carbon (o grupă metil) de citozina de bază. Acest lucru tinde să închidă genele din apropiere și poate fi moștenită prin diviziunea celulară, deoarece există enzime care recunosc când una dintre cele două fire de ADN este nemodificată și adaugă un metil.
Metilarea se dovedește a explica amprenta. Regiunile cheie pentru imprimare sunt metilate diferit la bărbați și femei, care influențează activitatea genică din apropiere și poate fi menținută pe toată durata dezvoltării embrionare.
Așadar, pentru a compensa problemele de imprimare cauzate atunci când ambele seturi de cromozomi provin din același sex, ceea ce trebuie să faceți este o reprogramare țintită a metilării. Și asta au făcut cercetătorii din spatele noii lucrări.
În primul rând, trebuiau să spună cele două seturi de cromozomi. Pentru a face acest lucru, au folosit două tulpini de șoareci înrudite îndepărtate, o tulpină standard de laborator care a avut originea în Europa și o secundă care a fost prinsă în sălbăticie în Thailanda cu mai puțin de un secol în urmă. Aceste două tulpini au fost separate suficient de mult încât au o mulțime de mici diferențe în secvențele de ADN împrăștiate în întregul genom. Deci, a fost posibil să le folosiți pentru a viza unul sau altul dintre genomi.
Acest lucru a fost realizat folosind părți ale sistemelor de editare a ADN -ului care au fost dezvoltate, dintre care cea mai cunoscută este CRISPR/CAS. Aceste sisteme au o proteină care se împerechează cu o secvență ARN pentru a găsi o secvență potrivită în ADN. În acest caz, aceste ARN -uri ar putea fi făcute astfel încât să vizeze regiunile de imprimare într -una dintre cele două tulpini de șoarece. Combinațiile proteice/ARN ar putea fi, de asemenea, legate de enzime care modifică ADN -ul, fie adăugând metils, fie îndepărtându -le.
Pentru a reuni toate acestea, cercetătorii au început cu un ou și au șters genomul din acesta. Apoi au injectat capetele de spermă, unul din tulpina de laborator, unul de la recentul șoarece sălbatic. Acest lucru i -a lăsat cu un ou cu două seturi de cromozomi, deși un sfert dintre ei ar avea doi cromozomi Y și, astfel, ar fi inviabili (spre deosebire de Y, X are gene esențiale). În mod arbitrar, au ales un set de cromozomi pentru a fi enzime de metilare și de metilare și de metilare vizată pentru a reprograma modelul de metilare pe acesta. Odată ce s -a făcut acest lucru, ei ar putea permite ovulului să înceapă să se împartă și să -l implanteze la șoareci de sex feminin.
Succes rar
Cercetătorii au petrecut timp asigurându -se că enzimele pe care le aveau modifică metilarea așa cum era de așteptat și că dezvoltarea a început ca de obicei. Constatarea lor generală este că enzimele au schimbat starea de metilare pentru aproximativ 500 de baze de pe ambele părți ale site -ului vizat și au făcut acest lucru destul de constant. Dar există șapte site -uri de imprimare diferite care trebuie modificate, fiecare dintre acestea controlează mai multe gene din apropiere. Deci, în timp ce modificările au fost consecvente, nu au fost întotdeauna suficient de minuțioase pentru a duce la modificările preconizate la toate genele din apropiere.
Această eficiență limitată a apărut în rata de supraviețuire. Începând cu peste 250 de embrioni reprogramați care transportau ADN de la doi bărbați, au terminat cu 16 sarcini, dar doar patru care au murit la naștere și trei vii; Pe baza altor experimente, cea mai mare parte a restului a murit în a doua jumătate a dezvoltării embrionare. Dintre cele trei vii, unul a fost cu aproape 40 la sută mai mare decât puiul tipic, ceea ce sugerează probleme care reglementează creșterea – a murit a doua zi după naștere.
Toate cele trei nașteri vii au fost bărbați, deși numerele sunt suficient de mici încât este imposibil de spus dacă este semnificativ sau nu.
Cercetătorii sugerează mai multe motive potențiale pentru eficiența scăzută. Unul este pur și simplu că, în timp ce probabilitatea de a reprograma în mod corespunzător cel puțin unul dintre site -uri este ridicată, reprogramarea tuturor celor șapte este considerabil mai dificilă. Există, de asemenea, riscul de efecte off-target, unde modificarea are loc în locații cu secvențe similare cu cele vizate. De asemenea, aceștia recunosc că ar putea exista și alte regiuni cheie imprimate pe care pur și simplu nu le -am identificat încă.
Ar trebui să sortăm asta dacă dorim să folosim această abordare ca un instrument, care ar putea fi potențial util ca o modalitate de a reproduce șoareci care poartă mutații care afectează viabilitatea sau fertilitatea feminină. Dar această lucrare a fost deja utilă chiar și în starea sa ineficientă, deoarece servește ca o validare destul de definitivă a ideilor noastre despre funcția imprimării în dezvoltarea embrionată, precum și rolul critic pe care îl joacă metilarea în acest proces. Dacă nu aveam dreptate în mare parte cu privire la ambele, eficiența acestei abordări nu ar fi scăzută – ar fi zero.
PNAS, 2025. DOI: 10.1073/pnas.2425307122 (Despre Dois)
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
Comentarii recente