„Jajo o jajo”, czyli pierwszy na świecie ssak bez ojca

Chińscy uczeni uzyskali pierwsze mysie potomstwo bez jakiegokolwiek zapłodnienia, czyli w wyniku dzieworództwa. Nie złamali praw natury, tylko je sprytnie obeszli za pomocą nowoczesnej bioinżynierii.

Dopiero świętowaliśmy ćwierćwiecze ogłoszenia światu, że pojawił się na nim pierwszy sklonowany ssak, czyli owca Dolly, a tu trzeba będzie zmierzyć się z podobnej miary przełomem. Dolly była klonem swej matki, czyli cała powstała dzięki temu, że jądro z komórki wymienia owcy X wsadzono do pozbawionej własnego jądra komórki jajowej owcy Y, by z tak powstałej komórki uzyskać całą owcę – właśnie Dolly – będącą co do większości cech repliką owcy X. No ale w ten sposób owca Dolly miała i ojca i matkę, czyli w komórki jej organizmu miały w sobie zarówno chromosomy pochodzące od matki owcy X, jak i chromosomy pochodzące od jej ojca.

Jak wiemy po 25 latach, masowo klonować ssaków się nie da, gdyż istnieją naturalne mechanizmy genetyczne, które czynią takie działania skazanymi na niską skuteczność. Dolly miała niemal 300 sióstr, które nigdy się nie urodziły. Skoro zatem mielibyśmy tym sposobem powielać bezcenne konie czy wielbłądy wyścigowe albo wyjątkowe bydło mleczne bądź mięsne, wydajność jest słaba, a uzyskiwana jakość zwierzęcia – wątpliwa.

Innym, dawnym już, bo co najmniej 70-80 lat liczącym sobie pomysłem embriologów na dosłownie namnażanie bezcennych sztuk ssaków jest partenogeneza, czyli dzieworództwo. Pamiętają państwo ten moment, gdy w „Seksmisji” Juliusza Machulskiego Maksik i Albercik oglądają przy jedzeniu telewizję, zamknięci na kwarantannie Archeo? Maksik dowiaduje się, że kobiety rozmnażają się bez mężczyzn dzięki „sztucznej partenogenezie”, po czym maleńka dziewczynka odpytywana przez nauczycielkę wyjaśnia ową technologię, polegającą na „pocieraniu jaja o jajo”.

Maksik jest wstrząśnięty, nie może dalej jeść, a Albercik wyjaśnia mu, że „to było możliwe już w naszych czasach, ale nie na taką skalę”.

Muszę w tym momencie powiedzieć z mocą – Albercik kłamał. W czasach, gdy kręcono „Seksmisję”, było naukowo jasne, że partenogeneza ssaków jest niemożliwa. Stawało się też coraz bardziej jasne, jaka jest molekularna przyczyna tej blokady.

Zawdzięczamy tę wiedzę wielkiemu polskiemu uczonemu, zmarłemu w 2016 r. prof. Andrzejowi Tarkowskiemu z Uniwersytetu Warszawskiego. Tarkowski był twórcą szkoły naukowej embriologii doświadczalnej ssaków. Położył teoretyczne i praktyczne podwaliny pod niezaprzeczalne osiągnięcia biologii i medycyny XX wieku (zapłodnienie in vitro, klonowanie i odkrycie komórek macierzystych).

Wśród wielu przełomowych eksperymentów, których był pomysłodawcą, był i taki, gdzie pobudzono za pomocą bodźca elektrycznego komórkę jajową myszy do rozwoju partenogenetycznego. Polskiemu uczonemu udało się wtedy ustalić, że rozwój takiego zarodka przebiega mniej więcej normalnie, ale maksymalnie tylko do momentu tzw. cylindra zarodkowego, kiedy to powinien zaimplantować się w macicy, a zamiast tego nieodwracalnie zamiera.

Minęło pół wieku; ustalono w międzyczasie, dlaczego partenogenetyczny zarodek powstały z samej komórki jajowej zamiera. Da się bowiem sprawić, by jej DNA uległ duplikacji, czyli będą tam dwa komplety chromosomów, ale oba odmatczyne, żaden odojcowski. Zwróćmy uwagę zatem, że, tak jak pokazano w „Seksmisji” – w wyniku partenogenezy otrzymuje się w potomstwie wyłącznie samice, bo nie ma skąd wziąć chromosomu Y.

Biolodzy molekularni z biegiem czasu ustalili, że w toku dojrzewania komórek jajowych i plemników w osobnikach rodzicielskich dochodzi do odmiennego chemicznego modyfikowania ich DNA. W jaju pewne fragmenty DNA są modyfikowane, a w plemniku – inne.

Modyfikacje te mają zdolność wyłączania genów i noszą nazwę genetycznego imprintingu. W konsekwencji jedynie uwspólnienie chromosomów odmatczynych i odojcowskich w zarodku gwarantuje harmonijny rozwój owego zarodka. Gdy są tam tylko geny odmatczyne, prędzej czy później (raczej prędzej) zabraknie aktywności jakiegoś genu kluczowego dla dalszego życia i przemian embrionu, tak że jest on skazany na zamarcie.

Dziś trzech chińskich uczonych z Center for Reproductive Medicine w Shanghai Jiao Tong University, (ale podpisujących się także afiliacją w Center for Reproductive Sciences, University of California w San Francisco) na łamach prestiżowego naukowego czasopisma „PNAS” opisuje, jak uzyskali partenogenetyczne myszy. Ich powołanie do życia według wszelkich wcześniejszych danych było niemożliwe.

Kluczem okazały się owe modyfikacje chemiczne DNA, zwane metylacjami, enzymy, które je przeprowadzają oraz technika nowoczesnego modyfikowania DNA w żywych komórkach zwana CRISP-R/Cas 9, za którą był Nobel z chemii dwa lata temu .

Wyzwaniem, podobnie jak w kwestii klonowania, były ssaki, gdyż partenogeneza naturalnie występuje u mszyc, ryb, gadów (a nawet zagrożonych wyginięciem ptaków), skorpionów, roztoczy i niektórych pszczół. Wspomniałam już o imprintingu genetycznym. Trzeba teraz dodać, że większość typów ssaczych komórek wyraża kopie genów od obojga rodziców – ale kilka nie. Zamiast tego aktywują one geny tylko od matki lub ojca. W swojej pracy badacze skorzystali z takich wyjątków.

Chińscy naukowcy przezwyciężyli problem imprintingu DNA i blokady rozwoju sprytnym bardzo sposobem. Najpierw uzyskano mysią komórkę jajową, by następnie użyć zmodyfikowanej wcześniej techniki CRISP-R/Cas9 do edycji genów tak, aby te odmatczyne przypominały odojcowskie – były zmodyfikowane chemicznie w stosowny sposób. Tak, jakby przyniósł je plemnik podczas normalnego zapłodnienia. Wstrzykiwany do komórki jajowej enzym Cas9 zamiast ciąć DNA (co jest jego zwykłym zadaniem) był tak zmodyfikowany, aby DNA metylować lub demetylować w niezbędnych miejscach bardzo precyzyjnie.

Tak „opracowany” oocyt był następnie hodowany in vitro aż do stadium umożliwiającego implantację do macicy matki surogatki. Uzyskawszy niezależnie kilka takich zarodków, wszczepili je wszystkie do jednej macicy. Wszystkie zarodki rozwinęły się w mysie płody i były zdrowo urodzone, ale tylko jedna z myszek dożyła dorosłości i była w stanie zostać matką zdrowego potomstwa uzyskanego już normalnie – poprzez zapłodnienie.

Współczesne technologie inżynierii genetycznej umożliwiają przełamywanie (czy raczej obchodzenie) barier, które sama natura postawiła na drodze. Proces jest bardzo trudny, mało wydajny, raczej dowodzi potencjału, niż jest receptą na ewentualny sukces.

Pozostaje się zastanowić, czy potrzebujemy partenogenetycznych ssaków…. Wszak żadna bomba X, gdzie „czegoś tam nie dopatrzono i zamiast czasowo sparaliżować geny męskie, unicestwiła je na zawsze”, nam na razie nie grozi. Nauka jednak próbuje poszerzać horyzont znanego i nieznanego – na tym polega jej rola.

Jakkolwiek by było, na łamach PNAS opublikowano dowód wprost na to, że w czasie zapłodnienia chodzi zasadniczo o uwspólnienie modyfikacji chemicznych DNA, tak, aby wszystkie niezbędne dla rozwoju ssaka geny mogły być aktywne w zarodku. A to jest udowodniona eksperymentalnie wiedza absolutnie podstawowa. Wielkie osiągnięcie embriologii, podobne tym, które przypisujemy dziś słusznie prof. Tarkowskiemu i jego warszawskiemu zespołowi.

#myszy #nauka #naukowcy #badania