Японские биологи впервые целенаправленно создали фертильных самок мышей из клеток самцов. Результат опубликован на сервере препринтов BioRxiv, и он уже заставил заговорить о спасении видов, у которых в живых остались только самцы.

Профессор Такаши Исивати из Университета Яманаси и Сёго Матоба из RIKEN назвали свой метод «двуполым клонированием». Они взяли ядра из клеток крови самца мыши и перенесли их в яйцеклетки, лишённые собственного ядра, — тот же приём, которым в 1996 году создали овечку Долли. Часть эмбрионов затем обработали CRISPR-системой с техникой Y-CUT, которая удаляет Y-хромосому. Так получились самки с генотипом XO — только одна X-хромосома вместо обычных двух. Эмбрионы без удаления Y-хромосомы развились в самцов.

Главное, что отличает эту работу от прежних опытов, — клонированные самки оказались способны к размножению. Исследователи сообщили, что при спаривании клонированных самок и самцов родилось потомство, а сами мыши прожили больше года без видимых отклонений. По сути, команда запустила половое размножение, используя геном одной-единственной мужской особи.

Почему это может стать последним шансом для исчезающих видов

Идея проста: если от вида остался лишь один самец или сохранились замороженные ткани, из его клеток можно получить и самок, и самцов, а затем попытаться восстановить популяцию. Перенос ядер соматических клеток уже отработан на разных млекопитающих, не только на мышах, так что технологическая база существует.

Но универсальной методику не назовёшь. У мышей самки XO размножаются нормально, а вот у людей и лошадей такой генотип часто связан с серьёзным снижением или полной утратой репродуктивной функции. Кроме того, если скрещивать клонов, полученных от одной особи, генетическое разнообразие потомства окажется крайне низким. Такая популяция будет уязвима к болезням и изменениям среды.

Эксперты подчёркивают: технология не заменит охрану местообитаний и борьбу с браконьерством. Но в крайних случаях, когда у вида остался только один пол, она может сработать как последний рубеж. Ранее мы уже рассказывали о том, как CRISPR-редактирование превращало эмбрионы мышей-самцов в генетически идентичных самок, — мышей-самцов превратили в самок с помощью CRISPR. Нынешний эксперимент идёт дальше: здесь самки не просто родились, но и дали потомство.

Японские биологи впервые целенаправленно получили фертильных самок из клеток самцов мышей. Результат, о котором пишет IFLScience, опубликован на сервере препринтов bioRxiv. Учёные из Центра биоресурсов RIKEN и Университета Яманаси взяли клетки самцов с хромосомами XY и применили метод редактирования генома CRISPR под названием Y-CUT, чтобы удалить Y-хромосому. Такой подход назвали «двуполым клонированием».

Эмбрионы с изменённым набором хромосом пересадили суррогатным мышам. На свет появились самки с генотипом XO — без Y-хромосомы. Ведущий автор работы доктор Шого Матоба (Shogo Matoba) признался: самым волнующим моментом стало рождение первого клона-самки из соматической клетки самца. «Мы теоретически знали, что удаление Y-хромосомы может дать самку XO в экспериментах с ЭКО, но увидеть живых самок, рождённых от донора-самца, было по-настоящему поразительно», — отметил он.

Самки-клоны от самцов мышей рождались и раньше — из-за случайной потери Y-хромосомы. Но теперь это сделали намеренно, и в этом принципиальная разница.

Последний шанс для видов, где остались только самцы

Метод может пригодиться для спасения исчезающих видов. У популяций на грани вымирания часто страдает генетическое разнообразие, а в критических ситуациях могут остаться лишь самцы. Технология позволяет создавать самок даже тогда, когда в живых нет ни одной особи женского пола. Сохранённые образцы тканей самцов можно превратить в племенное поголовье самок и поддержать разнообразие.

Терухико Вакаяма (Teruhiko Wakayama) из Университета Яманаси, не участвовавший в исследовании, сказал New Scientist: «Было бы невероятно ценно, если бы это сработало у видов, отличных от мышей». Успех эксперимента намекает, что метод потенциально применим к животным вроде северного белого носорога, у которого сейчас не осталось самцов, или к другим видам, где выжил только один пол.

Эффективность пока низкая, и не для всех видов

Биологическая концепция доказана, но эффективность оставляет желать лучшего: лишь небольшой процент созданных эмбрионов развился в живых здоровых мышей. Линда Пенфолд (Linda Penfold) из SEZARC, объединения зоопарков и природоохранных центров в США, предупредила: у людей и лошадей потомство с удалённой Y-хромосомой бесплодно, и, вероятно, так же будет у многих диких видов. То есть для части животных метод может не сработать.

Кстати, мы уже писали о том, как мышей-самцов превратили в самок с помощью CRISPR. Новая работа делает следующий шаг: теперь самок получают не из эмбрионов, а из соматических клеток взрослых самцов — и это открывает путь к клонированию обоих полов из генома одной мужской особи.

Впервые в истории учёные намеренно превратили мужские эмбрионы мышей в женские. Команда из Японии применила метод на основе CRISPR, удалив Y-хромосому из мужских клеток, и создала женских клонов самцов. «Никто не делал этого раньше», — говорит Моника Уорд, репродуктивный биолог из Гавайского университета, не участвовавшая в исследовании. Это достижение может изменить представления учёных о размножении, считает Такаши Ишиучи, репродуктивный биолог из Университета Яманаси, один из руководителей работы. Результаты опубликованы в препринте на bioRxiv в начале этого месяца и ещё не прошли рецензирование. «В нашей научной области существует устоявшаяся концепция, что для размножения нужны и самки, и самцы, — говорит Ишиучи. — Думаю, мы можем изменить эту концепцию». Он и его коллега Шого Матоба из Центра биоресурсов RIKEN в Ибараки также надеются, что их метод поможет спасти исчезающие виды, особенно когда осталось всего несколько особей.

«Это захватывающе, — отмечает Бен Новак, ведущий научный сотрудник природоохранной организации Revive & Restore, не участвовавший в работе. — Я уверен, что применений будет много, особенно для сохранения видов».

Как рыба подсказала путь

Ишиучи говорит, что его с коллегами вдохновила окинавская рыбка-бычок, способная менять пол в определённых ситуациях. Если самцов нет, самка может сменить пол, чтобы размножаться с другими самками. Самцы тоже способны становиться самками.

В лаборатории тоже был прецедент, хотя и случайный. В 2009 году исследователи сообщили о неожиданном рождении одной самки в партии из 27 клонов, созданных из клеток самца мыши. Такая способность менять пол может быть полезна. Иногда выжившая популяция вида падает настолько, что учёные пытаются клонировать оставшихся животных. Клонирование не идеально — оно может быть сложным, неэффективным и создаёт генетически идентичных особей, чьё потомство уязвимее к болезням. Но оно помогло учёным в усилиях по возвращению некоторых видов с грани исчезновения, включая черноногих хорьков и лошадь Пржевальского.

Клонирование особи воспроизводит только её гены, поэтому клонирование самца даст только мужское потомство. Это не поможет в гипотетической ситуации, когда остались только самцы вида. Ишиучи работал над способом преодолеть эту проблему, изменяя хромосомы в клетках.

Y-хромосома под ножом

ДНК млекопитающих организована парами хромосом, включая одну пару половых. Обычно у самок это XX, у самцов — XY. Именно Y-хромосома делает млекопитающее самцом. Ишиучи и его коллеги разработали инструмент на основе CRISPR, чтобы избавиться от неё. Их подход нацелен на участок Y-хромосомы, который играет важную роль в том, чтобы при каждом делении клетки «дочерние» клетки наследовали Y-хромосому.

Когда исследователи испытали свою технику, названную Y-CUT, на ранних эмбрионах мышей, им удалось устранить Y-хромосому. Обработанные XY-эмбрионы перенесли суррогатным мышам, которые родили самок. Этот эффект можно описать как «смену пола», говорят исследователи. У родившихся самок были XO-хромосомы, то есть одна X-хромосома вместо обычных двух. Но это, похоже, не повлияло на животных: они выросли здоровыми и фертильными, утверждают Ишиучи и Матоба. Во втором эксперименте исследователи выяснили, что Y-CUT также можно использовать для создания женских клонов из самцов мышей.

Клоны без Y-хромосомы

Стандартный протокол клонирования выглядит так: из клетки взрослого животного извлекают ядро с ДНК и переносят его в яйцеклетку, из которой предварительно удалили собственный генетический материал. При подходящих условиях такая клетка может развиться в животное, генетически идентичное донору. Матоба и его коллеги действовали похожим образом. Получив запас клонированных клеток, часть из них обработали методом Y-CUT, а затем перенесли суррогатным мышам для вынашивания. Так удалось создать женских клонов от самцов. Самки генетически идентичны исходному самцу за исключением отсутствующей Y-хромосомы, поясняет Матоба. «Это похоже на научную фантастику», — признаётся Ишиучи.

В других экспериментах учёные смогли получить женских клонов из мужских клеток, которые перед этим были криоконсервированы. Более того, клонированные самцы и самки могли спариваться и давать здоровое потомство. Это намекает: подход Y-CUT позволит создавать женских клонов из мужских образцов в «замороженных зоопарках» — хранилищах криоконсервированных клеток и тканей разных видов животных. Применение может выйти далеко за рамки охраны природы. «Потенциально это можно использовать для производства генетически модифицированных животных», — говорит Уорд. Создание животного с множественными генетическими правками отнимает время и деньги; получение мужских и женских клонов такого животного сэкономило бы и то и другое. Уорд также надеется, что методика станет полезным инструментом для изучения биологии половых хромосом.

Ограничения и дополняющие технологии

Подход Y-CUT не идеален. Пока он требует «опустошённых» яйцеклеток, которые должны быть получены от самок того же вида или хотя бы близкородственного. И он не поможет исчезающим видам, где выжили только самки. На мышах техника работает отлично — отчасти потому, что самки с генотипом XO плодовиты. Но если метод и пригодится некоторым из 355 исчезающих и уязвимых видов грызунов, то у других млекопитающих особи с хромосомами XO, как правило, бесплодны.

Впрочем, другие новые технологии могут дополнить Y-CUT. В 2023 году Кацухико Хаяши из Осакского университета с коллегами показали, что клетки самцов мышей можно превратить в яйцеклетки. Это позволило создать мышат от двух отцов — но тот же подход мог бы обеспечить и «опустошённые» яйцеклетки, необходимые для Y-CUT. «Это взаимодополняющая история», — говорит Матоба.

Ишиучи работает и над техникой вставки второй X-хромосомы в клетки, что, возможно, восстановит плодовитость получаемых самок. Кроме того, есть обходной путь для ситуаций, когда в распоряжении учёных только самки, а нужны самцы. Пару месяцев назад Саяка Вакаяма из Университета Яманаси в Японии с коллегами показали, что в мышей можно вставить хромосомы крыс. Потенциально это позволило бы создавать эмбрионы самцов с хромосомами XY, отмечает Новак. Такой подход пригодился бы, например, в случае черноногого хорька. Недавно природоохранная команда клонировала самку хорька, использовав клетки другой особи, взятые ещё в 1980-х. Эта самка невероятно ценна, говорит Новак, но за жизнь она может принести лишь несколько помётов. Клон-самец, способный за жизнь поучаствовать в десятках помётов, был бы «желательным».

«Очень вдохновляет видеть, как разрабатываются всё более разнообразные инструменты, — говорит Новак. — Существует множество разных сценариев, в которых они могут быть использованы для редких и исчезающих видов».

Кстати, мы уже писали о том, как мышей-самцов превратили в самок с помощью CRISPR — тот материал подробно разбирал этическую сторону подобных экспериментов.