For å lage et pattedyr trenger du et egg og en sæd. Disse to nødvendige genetiske innspillene har historisk sett betydd manglende oppskyting for forsøk på å produsere avkom fra hann-mannlige eller kvinnelige-kvinnelige koblinger. Men ved å uskarpe grensene mellom egg og sæd med genetisk endring, hjelper forskere oss nå med å bryte reglene for reproduksjon av pattedyr.
I går, i tidsskriftet Cell Stem Cell, rapporterte et team av forskere ved det kinesiske vitenskapsakademiet fødselen av sunne avkom til mus av foreldrene av samme kjønn. Ved å modifisere genene til egg for å ligne sædcellen, og omvendt, kunne forskerne overvinne et stort hinder i biologisk reproduksjon. Valper fra kvinnelige og kvinnelige fagforeninger overlevde godt til voksen alder, og ble til og med mødre selv, og kortreiste babyer ble ønsket velkommen av en pappa-pappa-duo.
"Dette er utrolig imponerende, " sier Ava Mainieri, en biolog som studerer reproduksjonens genetikk ved Harvard University. "Denne teknologien har omtrent en million implikasjoner for fremtiden."
Forskerne klarte å overvinne en langvarig utfordring med å produsere pattedyr med foreldre med ensex kjønn. Et pattedyrembryo trenger vanligvis to genomer, som hver inneholder et manuskript med genetiske instruksjoner fra mor eller far. På denne måten arver fosteret to kopier av hvert enkelt gen. Men for mange gener går enten mammas eller pappas kopi taus. Hele regioner av ett genom kan stenges ned, mens de samme delene av den genetiske koden fra den andre forelderen forblir intakte.
"Hvis nukleotider av DNA er en tekst, kan [disse naturlige modifikasjonene] tenkes som mellomrom eller tegnsetting som gir mening til så komplisert tekst, " forklarer Mainieri, som ikke var involvert i forskningen.
En stolt mamma mus med avkommet. Mammamusen på dette bildet ble født av to mødre, og levde det forskerne anså for å være et normalt, sunt liv. (Le-Yun Wang / Chinese Academy of Sciences) Utfordringen er at disse mellomrommene og punktasjonene i hvert genom trenger å stille seg riktig - noe som skjer naturlig med mannlige og kvinnelige foreldre. Dette stinkende fenomenet kalles genomisk avtrykk, og det er avgjørende for reproduksjon av pattedyr. Hvis begge foreldrenes kopier av et av disse normalt "pregede" genene ved et uhell blir slått på, kan konsekvensene være katastrofale, og produserer fostre som har ballong i størrelse, sliter med å skaffe næringsstoffer eller til og med ikke klarer å nå løpet i det hele tatt.
For forskere som prøver å avle opp pattedyr med foreldre av samme kjønn, er den nødvendige prosessen med genomisk avtrykk et stort hinder. Rundt midten av 1900-tallet, da forskere gjorde noen av de første forsøkene på å produsere musembryoer med to kvinnelige genomer, tok det ikke lang tid før regnestykket med sammenslåing av egg ble rotete. Begge halvdeler av de genetiske instruksjonene gjenspeilte mødreavtrykk, deaktivering og aktivering av de samme områdene i genomet - og uten den faderlige delen av ligningen ble noen gener overuttrykt, mens andre aldri ble skikkelig slått på.
Nyere besluttet et årskull av forskere ved det kinesiske vitenskapsakademiet ledet av seniorforfattere Wei Li, Qi Zhou og Bao-Yang Hu å prøve et nytt sett med verktøy for å takle problemet. Å maksimere sjansene sine for å produsere sunne avkom fra foreldre av samme kjønn betydde å starte med de minst mulig avtrykkede celler - celler som ikke hadde tegnsetting i den genetiske koden ennå. Så forskerne genererte et uvanlig sett med egg og sæd ved å slette noen av de pregede merkene på genomet, og i det vesentlige vende klokken tilbake på disse reproduksjonscellene til de lignet det genetiske manuskriptets uendrede første utkast.
Bevæpnet med et arsenal av "rene" celler, forsøkte forskerne å avle bimaternale mus. For å etterligne maleness la de sin egen versjon av farlig avtrykk til en ren eggcelle, og snippet tre kjente innprentede regioner ut av sitt genom. Denne teknikken slettet i det vesentlige hele avsnitt eller kapitler fra eggets genetiske manuskript, og gjorde det til en reproduksjonscelle som fungerte mer som en sædcelle. De injiserte deretter den nylig manipulerte cellen i et normalt egg fra en annen kvinnelig mus.
Til deres forbauselse ble 14 prosent av disse bimaternale embryoene - totalt 29 mus - født friske kvinner (uten Y-kromosom i den reproduktive blandingen, menn var en garantert ikke-integritet). Flere av de bimaternale musene vokste til og med opp til sine egne sunne unger (denne gangen gjennom et mer naturlig unnfangelsesmiddel). Så langt forskerne kunne fortelle, var de farløse musene fysisk og atferdsmessige sunne - men Zhou påpeker at det kan være mangler hos disse musene teamet ennå ikke har oppdaget.
En enda større utfordring dreide seg fremover - mus fra begge sider. En musung med to mødre ble avlet opp for første gang i 2004 (selv om den hadde mye lavere suksess enn det nyeste arbeidet som ble oppnådd). Faderløse mus var på en måte gamle nyheter. Morløse mus derimot ville være “fantastiske”, sier Hugo Creeth, hvis tilknyttede arbeid ved Cardiff University også fokuserer på genetisk avtrykk.
En av de største utfordringene ved å føde en mus med genetisk materiale fra to menn, ifølge utviklingsbiologen fra University of Pennsylvania, Marisa Bartolomei, er at det er mye mer avtrykk som må skje på mammas genom for at det skal bli riktig med pappas. Det ekstra arbeidet som kreves for at et mannlig genom skal oppføre seg som et kvinnelig genom kan være en del av grunnen til at unisex-reproduksjon i naturen skrår mot kvinnelige og kvinnelige koblinger. (Mens noen krypdyr, amfibier og fisk er i stand til å parre bare kvinner, har bare en art - sebrafisken - noen gang produsert avkom uten mors innspill, og bare på et laboratorium).
"[Det ser ut til at] sammenlignet med bimaternal reproduksjon, må flere hindringer krysses ved bipaternal reproduksjonsbarriere, " sier Li.
Til tross for utfordringene, var forskerne i stand til å generere levende avkom ved bruk av bare DNA fra to mannlige foreldre. En modifisert sædcelle hadde seks genetiske regioner fjernet for å gjøre den mer lik et kvinnelig genom, og ble deretter kombinert med normal sæd i et tom hunnegg. (Tomt eller ikke, en eggy innhegning er fortsatt nødvendig for å bringe sæd og sæd sammen.) Disse rare hybridembryoene - bokstavelige eggeskall som inneholder doble doser av farlig DNA - ble deretter overført til en surrogatmusemor.
Forskere kan avle mus med to fedre, men de er født med alvorlige feil og overlever ikke til voksen alder. (Le-Yun Wang / Chinese Academy of Sciences) Drøye en prosent av avkommet overlevde. Dessverre ble alle valpene født med alvorlige feil og døde nesten umiddelbart. Da forskerne fjernet en syvende påtrykt region fra de redigerte sædcellene, doblet de imidlertid overlevelsesraten. Valpene vokste fremdeles ikke til voksen alder, men likevel hadde metoden virket, og avkomens kortvarige levedyktighet var monumental.
"Dette viser virkelig at avtrykk er en blokk for uniparental utvikling, " sier Bartolomei. "Vi har kjent det fra mors perspektiv, men nå, med de topartnerne, er det en første."
I følge Li er det neste trinnet å forbedre levetiden for mus på bipaternal. Det er fremdeles ikke klart hva som dreper musene med to genetiske fedre - det er mulig det er andre kritisk innprente regioner som fremdeles trenger å bli genetisk ”administrert”, sier Bartolomei.
Det er faktisk litt rart at så få genetiske manipulasjoner var nok til å transformere genomet til det ene kjønnet til noe som ligner det andre. Det er over 150 gener som antas å være innprentet i mus - og listen vokser stadig - men ikke hver eneste av disse genene er avgjørende for levende avkom fra fødselen.
Mens den nye genetiske modifikasjonsteknikken arbeidet med å avle opp ensex-mus, advarer Mainieri at det ville kreve et "stort, enormt skritt" for å gjenta disse eksperimentene hos andre pattedyr, inkludert mennesker. Selv om Li, Zhou, Hu og kollegene deres er ivrige etter å en dag gå videre til primater, er det ingen garanti for at merkingene i en arts genetiske manuskript lett vil oversettes til en annen.
Fortsatt indikerer disse nye funnene et gjennombrudd i forskernes forståelse av rollen til genomisk avtrykk i reproduksjon av pattedyr. I tillegg er det flere lidelser som stammer fra uriktig avtrykk i genomet - så selv om morløse eller farløse babyer ikke er i horisonten, kan det å forstå disse genetiske forundringene endre vår tilnærming til medisin.
"Med denne kunnskapen har vi en evne til å lese setningene eller avsnittene [i genomisk tekst] på en måte som vi aldri har før, " sier Mainieri. "Og det er enormt."
