Самые автономные части клетки
Кроме хранилища наследственной информации в ядре клетки есть структуры, имеющие собственную ДНК, – это митохондрии, клеточные энергетические подстанции. Каждая митохондрия содержит от двух до десяти копий ДНК. Митохондрий в клетке множество, поэтому в ней несколько тысяч копий митохондриальной ДНК (мтДНК). Она передается по наследству, но в отличие от ядерной ДНК только от матери. Такая избирательность объясняется тем, что митохондрии содержатся в цитоплазме, а практически всю цитоплазму при оплодотворении зигота получает из яйцеклетки, ведь в сперматозоиде ее практически нет. У млекопитающих каждая молекула мтДНК содержит 15−17 тыс. пар оснований и кодирует 37 генов.
Особенность мтДНК в том, что она мутирует с большей скоростью, чем ядерная ДНК. Причина в том, что непременный продукт биохимических реакций в митохондриях — активные формы кислорода. Они, как известно, способны повреждать ДНК и другие биомолекулы. А с системой ремонта ДНК в митохондриях дело обстоит хуже, чем в ядре. Поэтому на сегодняшний день известны более 150 мутаций человеческой мтДНК и множество болезней, с ней связанных. В их числе — миопатии, нейродегенеративные заболевания, диабет, некоторые формы рака. Ученые подсчитали, что один из 3,5−6 тыс. человек отягощен риском болезни, связанной с дефектной мтДНК.
Если мутация в мтДНК выявлена, возникает желание заменить ее здоровой, чтобы путем искусственного оплодотворения можно было получить здоровое потомство. Но тут возникает сложность: выкачать все митохондрии из клетки невозможно. Шухрат Миталипов (Shoukhrat Mitalipov) и его коллеги из Орегонского национального центра исследования приматов (Oregon National Primate Research Center) и Орегонского университета здоровья и науки (Oregon Health & Science University) предложили другой способ замены дефектной мтДНК нормальной.
Оставить ядро и поменять цитоплазму
деление клетки
Мейоз
Редукционное деление клетки, в ходе которого происходит уменьшение числа хромосом в дочерних клетках. Мейоз происходит при созревании половых клеток. Включает два последовательных деления клеточного ядра: редукционное и эквационное. В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидные клетки.
Альтернатива состоит в том, чтобы из яйцеклетки с мутантной мтДНК и нормальным ядром взять нормальное ядро и переместить в предварительно обезъядерную клетку с нормальной мтДНК.
Такую операцию надо проводить на зрелой яйцеклетке, находящейся на стадии II мейоза. На этом этапе ядерной оболочки уже не существует и ДНК в виде хромосом связана с веретеном деления. Ученые изучили распределение митохондрий в клетке путем их окрашивания специальным красителем и убедились, что зона веретена деления свободна от митохондрий. Значит, эту структуру (ученые назвали ее кариопластом, так как она содержит ядерную ДНК) можно попытаться пересадить в клетку со здоровой мтДНК.
Перенос
клетка
Веретено деления
Структура, возникающая в клетке в процессе деления. По форме похожа на веретено. Состоит их микротрубочек, часть которых прикрепляется к центру — кинетохоре, хромосом. Веретено обеспечивает равномерное расхождение хромосом к полюсам клетки.
После окрашивания флуоресцентным красителем ДНК в кариопласте можно было увидеть в ультрафиолетовом свете. При помощи микропипетки ученые удалили кариопласт из яйцеклетки самки макака резуса. То же самое проделали с другой яйцеклеткой, которая имела здоровую цитоплазму – с нормальной мтДНК. Чтобы внедрить донорский ядерный материал в обезъядерную клетку — цитопласт, ученые применили два способа. Во-первых, электрический разряд – электропорацию, и во-вторых, вирусный вектор.
После слияния цитопласта с кариопластом, то есть обезъядерной яйцеклетки с донорским ядерным материалом, получилась яйцеклетка с нужным геномом и с нормальной мтДНК. Фактически у клетки заменили цитоплазму, что и требовалось.
Живые результаты эксперимента
Ученые провели такие манипуляции с множеством яйцеклеток, затем проверили их и убедились, что во всех клетках присутствует донорский комплекс хромосом с веретеном. Хромосомы перешли в другую клетку без повреждений. Яйцеклетки нормально завершили цикл мейоза. И окончательно созрев, готовы к оплодотворению сперматозоидами.
На следующем этапе надо было попробовать получить живой эмбрион из яйцеклетки с замененной цитоплазмой и вырастить его.
Яйцеклетки искусственно оплодотворили и 15 эмбрионов на разных стадиях подсадили девяти самкам макака резуса. Три самки успешно забеременели: у одной развивалась двойня, а у двух других – по одному плоду.
24 апреля первая беременная самка родила двух малюток, им дали имена Мито и Трекер (столь странные имена они получили по названию специфического митохондриального красителя). Их рождение окончательно доказало, что операция прошла успешна. Следом родила одного детеныша вторая беременная макака, а в начале июля разрешилась от бремени и третья. Все маленькие обезьянки здоровы и нормально развиваются.
Ученые, конечно, выделили и изучили их ядерную и митохондриальную ДНК. Анализ ядерной ДНК показал, что все они унаследовали свой геном от яйцеклеток – доноров хромосом. А исследование мтДНК практически не обнаружило мутаций, которые были в мтДНК этих яйцеклеток. Если совсем точно, то мутации были найдены в ничтожном количестве, по-видимому перенесенные с малым количеством цитоплазмы в составе кариопласта. Но этим, считают ученые, можно пренебречь.
Итак, ученые показали, что мутантную мтДНК можно эффективно заменить. Это дает надежду на то, что таким способом можно будет у человека прервать наследование дефектной мтДНК и сопутствующих болезней, передающихся по материнской линии. Для этого надо всего лишь заменить ее здоровой перед искусственным оплодотворением.
О замене митохондриальной ДНК можно прочитать в очередном выпуске Nature.
