Яйцеклітини, вирощені в пробірці з мишачих стовбурових клітин, після запліднення перетворилися на здорових тварин.
Зі стовбурових клітин зараз навчилися робити масу всього: з них вирощують сітківку (правда, не всю, цілком, а поки тільки фрагмент), з них можна виростити щось схоже на шлунок або, наприклад, на кору півкуль мозку.
Мова в даному випадку йде про ембріональні стовбурові клітини або їх штучні аналоги - індуковані плюрипотентні стовбурові клітини. І ті, і інші мають унікальну здатність: вони можу перетворитися на будь-які з більш ніж двохсот типів клітин нашого тіла. Власне, в цьому їх функція і полягає - сформувати тканини і органи організму, що розвивається. Зрозуміло, чому ними особливо цікавляться медики та біотехнологи: як би було добре, якби у нас хворий орган можна було просто замінити на здоровий, вирощений в пробірці.
Використовувати в експериментальних цілях натуральні ембріональні клітини, взяті з людських зародків, з морально-юридичних причин можливо далеко не завжди; так що біотехнологам довелося створити метод, який звертає назад розвиток зрілих, диференційованих клітин, перетворюючи їх на подобу ембріональних стовбурових. Такі клітини отримали назву індукованих плюрипотентних (тобто «всемогутніх») - і, згідно з останніми дослідженнями, від своїх природних побратимів вони майже не відрізняються.
При цьому, якщо вирощувати ті ж нейрони зі стовбурових клітин навчилися досить швидко, то з іншими типами клітин довелося повозитися. Наприклад, отримати жіночу статеву клітку - ооцит - вдалося тільки зараз, про що пишуть в Nature дослідники з університетів Кюсю і Кіото. Розвиток ооцитів сам по собі досить непростий. У ссавців ще під час ембріонального розвитку зі стовбурових клітин з'являються гоноцити - попередники яйцеклітин, які перебираються в яєчник, що формується. Тут гоноцити стають оогоніями - трохи ближчими попередниками яйцеклітин - і активно діляться. Після появи жіночої особини на світ поділу припиняються, і надалі самка витрачає той запас попередників статевих клітин, який сформувався у неї під час внутрішньоутробного розвитку.
Але оогонії - ще не справжні яйцеклітини. У яєчнику оогонії ростуть і діляться, але діляться не так, як раніше. Два основних типи клітинного ділення, як ми знаємо, це мітоз і мейоз, і в людському тілі мейоз йде тільки при дозріванні статевих клітин (як жіночих, так і чоловічих). Основна відмінність одного від іншого в тому, як розподіляється генетичний матеріал між дочірніми клітинами.
У будь-якій нашій клітині є два набори хромосом, батьківські та материнські, в них знаходяться різні варіанти одних і тих же генів. При поділі всі хромосоми подвоюються - тобто вся генетична інформація копіюється повністю - і далі, якщо у нас звичайний, мітотичний поділ, по дочірніх клітинах розходяться по одній копії кожної хромосоми. З інформаційної точки зору тут нічого не змінилося, дочірні клітини отримали ті ж гени і в тому ж складі, які були у материнської.
Якщо ж клітина, наприклад, попередник ооциту, входить у мейоз, то нові клітини отримують тільки половину генетичної інформації: тут розходяться самі хромосоми, в обох своїх копіях. Тобто, наприклад, в одну клітку пішов материнський варіант хромосоми I і її копія, материнський варіант хромосоми II і її копія, батьківський варіанти хромосоми III і її копія тощо. Відповідно, друга клітина отримає батьківські варіанти хромосом I і II і материнський варіант хромосоми III. Тобто інформація не просто ділиться навпіл - ці половини виявляються різнорідні.
Потім, після такої розбіжності хромосом, клітини діляться ще раз звичайним мітотичним способом. Як тільки ми сказали, після першого поділу в дочірні клітини хромосоми йдуть разом зі своїми зробленими заздалегідь копіями, і ось у другому поділі розходяться вже ці самі копії. В результаті з однієї клітини з подвійним (диплоїдним) набором хромосом виходить чотири з одинарним (гаплоїдним) набором. При заплідненні одна гаплоїдна статева клітина зливається з іншої гаплоїдної, і виходить диплоїдний зародок.
Як бачимо, якщо нам потрібно «вручну» отримати яйцеклітини зі стовбурових клітин, то ми повинні в лабораторних умовах перетворити стовбурову клітку на гоноцит (нагадаємо - перший попередник яйцеклітини), а потім допомогти гоноциту вирости в оогоній, а оогоній провести через вищеописаний складний поділ-мейоз.
Кілька років тому Кацухіко Хаясі (Katsuhiko Hayashi) і його колеги опублікували в Science статтю, в якій розповідали, що їм вдалося за п'ять днів довести мишачі стовбурові клітини (як ембріональні, так і штучні індуковані) до стану гоноциту, після чого їх пересаджували мишам, в чиїх яєчиках попередники статевих.
У наступних експериментах було вирішено відтворити в пробірці вже весь процес дозрівання до кінця. Тепер до гоноцитів, які дозріли зі стовбурових клітин, додавали компаньйонів - клітини яєчника, які якраз допомагають дозріванню яйцеклітин. У присутності клітин яєчника гоноцити ставали все менш схожі на самі себе і все більше - на яйцеклітини.
Поступово клітини, що ростуть в лабораторній культурі, формували щось схоже на фолікул яєчника - бульбашку, утворений допоміжними клітинами яєчника і з чудовою яйцеклітиною всередині. На цьому етапі використовували гормональні сигнали: по-перше, придушували реакцію клітин на естроген, по-друге, додавали в живильне середовище фоллікулостимулюючий гормон і ще деякі білкові фактори, що керують дозріванням яйцеклітин.
По суті, все зводилося до того, щоб допомогти клітинам самоорганізуватися в якусь подобу яєчника, для чого і потрібно було в певні моменти змінювати молекулярні сигнали в культуральному середовищі. Виявилося, що така подоба яєчника цілком годиться для дозрівання яйцеклітин - в результаті до зрілого стану вдалося довести майже третину вихідних попередників яйцеклітин.
Автори роботи перевірили, наскільки такі штучні яйцеклітини схожі на природні, чи немає в них будь-яких дефектів, чи правильно у них розподілилися хромосоми при поділі тощо. З хромосомами виявилося все гаразд - у 78% випадків вони розподілилися під час поділу так, як треба. Активність генів у штучних яйцеклітин теж була такою ж, як у природних.
Ну і, нарешті, головний тест на функціональність штучні яйцеклітини теж пройшли: після того, як їх запліднювали сперматозоїдами, і ембріони пересаджували самкам мишей, у тих народжувалися цілком здорові мишата. Єдина їхня відмінність від мишат, отриманих природним шляхом, була в тому, що «штучні» були дещо важчі; втім, надалі «штучні» миші нормально росли і розвивалися, і до 11 місяця з них виходили дорослі плідні тварини.
Звичайно, вирощені повністю в пробірці яйцеклітини були менш ефективні, ніж ті, які формувалися в живому організмі: тільки 3,5% штучних яйцеклітин після запліднення дійшли, так би мовити, до стадії новонародженого мишеняти, тоді як звичайні яйцеклітини, взяті у мишей для екстракорпорального запліднення і потім в заплідненому вигляді повернуті самкам, доходили до «фінішу» в 60% випадків. Однак в даному випадку важливий сам факт, що немає нічого неможливого в тому, щоб отримати з клітинно-стовбурової «сировини» цілком нормальну яйцеклітину, яка потім перетвориться на здоровий дорослий організм.
Звичайно, при відомій частці фантазії можна уявити, як штучна яйцеклітина запліднюється штучним сперматозоїдом (а такі теж вже навчилися отримувати) і потім росте в якомусь біотехнологічному аналозі матки. Але якщо так і буде, то в не дуже близькому майбутньому; поки ж за допомогою цієї технології можна докладно вивчати, як взагалі організм контролює дозрівання яйцеклітин і які клітинно-молекулярні дефекти лежать в основі різних варіантів безпліддя.
За матеріалами The Scientist.