Возможно ли оплодотворение без оплодотворения?
Оплодотворение возможно даже после того, как в яйцеклетке включилась эмбриональная программа и она приготовилась делиться.
И сперматозоид, и яйцеклетка (ооцит) – предельно специализированные клетки с конкретной функцией: они должны слиться вместе, объединить свои геномы и запустить формирование нового организма. При этом сперматозоид, например, полностью «забывает», кем он был – он уже не плывущая клетка, которая стремится ко вполне определённой цели, он уже просто отцовская половина генома. Такие разительны перемены, как считалось до сих пор, в мужской половой клетке происходят под влиянием яйцеклетки.
Но вот исследователям из Университета Бата и Регенсбургского университета пришло в голову проверить, может ли уже оплодотворённая яйцеклетка также управлять сперматозоидом? Ведь после оплодотворения яйцеклетка уже не яйцеклетка, это уже первая клетка зародыша с двойным набором хромосом, то есть – одноклеточный эмбрион, который вот-вот начнёт делиться. Может ли эмбрион воспринять генетическую информацию от сперматозоида? Чтобы проверить это, Энтони Перри (Anthony C. F. Perry) и его коллеги запустили в мышиных ооцитах программу партеногенетического развития, когда неоплодотворённый ооцит обрабатывают определённым образом, превращая его в эмбрион. То есть, строго говоря, оплодотворения тут нет, но эмбриональная программа развития работает так же, как и при оплодотворении. Такой партеногенетический зародыш остаётся гаплоидным, то есть в нём все хромосомы в нём всего лишь в одной копии.
Развитие зародыша начинается с того, что его самая первая клетка удваивает генетический материал и делится надвое. В эксперименте после того, как партеногенетическая яйцеклетка сделала копию ДНК и уже готова была начать собственно деление на две клетки, в неё вводили сперматозоид. Теперь в зародыше было три набора хромосом: два – от яйцеклетки, которая удвоила ДНК, но ещё не разделилась, и один – от сперматозоида. При делении хромосомы, как известно, расходятся по дочерним клеткам, и в данной ситуации хромосомы могли разбежаться по-разному. Однако клетки, которым достался бы только один хромосомный набор (будь то мужской или женский), дальше развиваться бы просто не смогли. То же самое касается тех, которым достались бы обе женские копии, то есть которые остались бы партеногенетическими эмбрионами – такой сценарий в случае с млекопитающими после нескольких клеточных делений заканчивается гибелью эмбриона. Так что шанс был только у тех клеток, которые после деления получили один хромосомный набор от яйцеклетки, а второй, позже, от сперматозоида.
То есть последовательность была такая: сначала яйцеклетку спровоцировали на партеногенез, так что она перестала быть яйцеклеткой и начала готовиться к делению, но до того, как она поделилась, в неё всё-таки внесли сперматозоид. Оплодотворению тут подвергли уже начавший развиваться эмбрион, хотя оплодотворением называть это нельзя, скорее, превращением партеногенетического эмбриона в обычный. И вот, когда такие эмбрионы поместили в мышей, из них получились вполне нормальные мышата (правда, только в 10,4%, остальные зародыши гибли во время внутриутробного развития). В дальнейшем мыши, появившиеся на свет таким странным способом, сами благополучно размножались.
Когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой, в её цитоплазму переходит содержимое сперматозоида, то есть ядро с ДНК и некоторые клеточные органеллы. ДНК сперматозоида настроена совершенно определённым образом, и эта настройка сохраняется и в первое время после слияния. Как известно, активность генов можно регулировать тем, что некоторые из них хранятся в «архиве» в комплексе с белками-упаковщиками, которыми обычных клетках являются гистоны, а в сперматозоидах – белки-протамины. Такие плотноупакованные гены недоступны для других клеточных белковых машин, которые читают генетическую информацию и воплощают её, так сказать, в жизнь. У сперматозоидов ДНК вся упакована в протаминовых комплексах, а необходимые молекулярные инструкции сохраняются в заранее синтезированных РНК-копиях. Однако при оплодотворении к хромосомам сперматозоида приходят специальные белки из ядра яйцеклетки – и переписывают схему регуляции сперматозоидных генов; теперь его ДНК выглядит и работает уже по-другому, теперь с ней можно обращаться как с составной частью зародышевого генома. Именно так следует понимать, что яйцеклетка перепрограммирует, изменяет сперматозоид (точнее, его ДНК), заставляя его «забыть» о своём прошлом. Напомним, что всё это происходит при обычном оплодотворении, но, как говорится в статье в Nature Communications буквально те же самые процессы происходят и в том случае, когда сперматозоид оплодотворяет без оплодотворения, то есть когда он попадает в зародыш, готовый к партеногенетическому развитию: белки бывшей яйцеклетки выходят из ядра и переписывают программу регуляции ДНК сперматозоида. Правда, авторы работы отмечают, что молекулярная «редактура» в этом случае отличается от той, что происходит при нормальном оплодотворении, но тогда всё становится ещё интереснее: получается, что регуляторные вариации на таком важнейшем этапе индивидуального развития не мешают появиться на свет здоровой и вполне плодовитой особи.
Общий вывод из работы состоит в том, что молекулярно-клеточные процедуры, которые необходимы для «запуска» новой жизни, оказывается, не есть нечто такое, что происходит в строго определённый момент жизни яйцеклетки. Полученные результаты, с одной стороны, расширяют наши представления о том, с чего начинается и как происходит эмбриональное развитие, а с другой, открывают новые перспективы в биотехнологии. Ведь тут удалось получить эмбрион, «смешав» сперматозоид с как бы обычной делящейся клеткой – яйцеклетка, которая пошла по пути партеногенетического развития, делится по той же схеме, по которой делятся другие клетки нашего организма: фибробласты кожи, стволовые клетки крови и т. д. По словам самого Энтони Перри, теперь мы вполне можем представить зародыш, сформировавшийся из стволовой клетки кожи и сперматозоида. Но всё-таки не следует забывать, что в описанных экспериментах использовали яйцеклетку, которая только что перестала быть яйцеклеткой и стала эмбрионом и в которой какие-то молекулярные процессы ещё могли идти по прежнему, «яйцеклеточному» сценарию, и подобный эмбрион – это всё-таки не кожа и не кровь. Впрочем, такие зародыши могли бы стать не только объектом фундаментальных исследований, но и источником человеческих натуральных зародышевых клеток, которые часто запрещают использовать ввиду морально-этических соображений; возможно, что с помощью, так сказать, частичного партеногенеза некоторые из морально-этических проблем удастся обойти.
15 сентября 2016
Статьи по теме:
