Лабораторно выращенные стволовые клетки инициируют ключевые этапы формирования человеческих яйцеклеток и сперматозоидов

от

Более одной шестой части взрослых людей во всём мире сталкиваются с бесплодием в течение жизни. Существует острая потребность не только в расширении доступа к качественному лечению бесплодия, но и в новых биомедицинских решениях, которые могут устранить первопричины этой проблемы.

Некоторые из ранних причин бесплодия связаны с нарушениями биологического явления, известного как мейоз — особый вид клеточного деления, в результате которого образуются яйцеклетки и сперматозоиды (гаметы). Мейоз начинается с клетки-предшественника с двумя наборами хромосом, один из которых унаследован от матери, а другой — от отца, и заканчивается образованием зрелых гамет.

В процессе мейоза материнские и отцовские копии каждой хромосомы обмениваются информацией, создавая новую комбинацию генетического кода. В конечном итоге в образующиеся гаметы должна быть распределена только одна копия каждой хромосомы. Ошибки в этих процессах могут привести к аномальному количеству хромосом (анеуплоидиям), выкидышам и нарушениям развития. Однако воспроизведение мейоза вне человеческого тела, которое могло бы в конечном итоге позволить специалистам в области репродукции создавать здоровые гаметы для неблагополучных родителей, было чрезвычайно сложной задачей.

Теперь исследователи из Института Вайсса при Гарвардском университете и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработали метод in vitro, который позволяет дифференцировать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) по пути мейоза.

Вводя в iPSCs коктейль генов, который активирует программы экспрессии генов, специфичных для мейоза, а также препараты, изменяющие обработку сигналов в клетках, команда впервые наблюдала живые человеческие клетки, инициирующие мейоз вне организма. Их результаты опубликованы в Science Advances.

«Здоровые яйцеклетки и сперматозоиды являются продуктом чрезвычайно сложного и подверженного ошибкам процесса. Наше исследование расширяет границы возможного в воспроизведении одной из его основных особенностей в лабораторной посуде», — сказал старший автор и член основного факультета Института Вайсса Джордж Чёрч, доктор философии. «Сейчас мы находимся в отличном положении, чтобы также найти средства для управления клетками на всех этапах мейоза, что заложило бы основу для моделирования ряда дефектов и создания здоровых гамет для людей, которые не могут эффективно достичь этого самостоятельно».

«Чтобы создать сами яйцеклетки и сперматозоиды, нам нужно научиться управлять клетками на протяжении всех мейотических делений», — сказала Меррик Пирсон Смела, доктор философии, первый автор исследования. В организме клетки-предшественники яйцеклеток и сперматозоидов переходят в состояние, известное как состояние первичных половых клеток (PGC), прежде чем вступить в мейоз. Предыдущие методы культивирования клеток могли достигать состояния PGC, но полученные PGC-подобные клетки не могли успешно выполнять мейоз.

«Наш протокол полностью обходит состояние PGC, чтобы значительно упростить процесс инициации мейоза», — объяснил Смела, который выполнял свою работу в Вайссе, будучи аспирантом в группе Чёрча.

Для того чтобы обеспечить этот короткий путь и достичь мейоза, Смела и его коллеги обнаружили комбинации генов, которые при активации в клетках заставляют их инициировать мейоз. Исследователи сконструировали стволовые клетки так, чтобы они становились флуоресцентными, если начинали выполнять мейоз. Затем они активировали комбинации генов, которые, как предполагалось, играют роль в мейозе. В некоторых из этих комбинаций клетки становились флуоресцентными, что указывало на то, что они выполняли мейоз.

Исследователи также обнаружили, что добавление в питательную среду двух различных химических веществ — синтетического аналога витамина А и ингибитора метилирования ДНК — дополнительно повышает эффективность входа в мейоз. Метильные группы подавляют экспрессию близлежащих генов и также устраняются во время нормального развития гамет, чтобы создать «чистый лист» для их дифференцировки.

Тестируя комбинации факторов в 646 493 отдельных клетках, Смела и его коллеги обнаружили три регуляторных гена — BOLL, MEIOC и HOXB5, каждый из которых может активировать мейоз в их системе. Первые два из них ранее были известны как регуляторы мейоза, но роль HOXB5 была неожиданной. Кроме того, для предотвращения запрограммированной гибели клеток во время индукции мейоза требовался BCL2, который стабилизирует митохондрии.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте