For at fremstille et pattedyr har du brug for et æg og en sædcelle. Disse to krævede genetiske input har historisk set betydet manglende lancering for forsøg på at producere afkom fra mandlige-mandlige eller kvindelige-kvindelige koblinger. Men ved at sløre grænserne mellem æg og sæd med genetisk ændring hjælper forskere os nu med at bryde reglerne for reproduktion af pattedyr.
I går, i tidsskriftet Cell Stem Cell, rapporterede et team af forskere ved det kinesiske videnskabsakademi fødslen af sunde afkom til mus af forældre af samme køn. Ved at modificere genomerne af æg til at ligne sædcellerne, og omvendt, var forskerne i stand til at overvinde en vigtig hindring i biologisk reproduktion. Valper fra kvindelige-kvindelige fagforeninger overlevede godt ind i voksen alder og blev endda mødre selv, og kortvarige babyer blev hilst velkommen af en far-far-duo.
”Dette er utroligt imponerende, ” siger Ava Mainieri, en biolog, der studerer reproduktionsgenetik ved Harvard University. ”Denne teknologi har omkring en million implikationer for fremtiden.”
Forskerne var i stand til at overvinde en langvarig udfordring til at producere pattedyr med enlige kønsforældre. Et pattedyrsembryo har typisk brug for to genomer, der hver indeholder et manuskript med genetiske instruktioner fra mor eller far. På denne måde arver fosteret to kopier af hvert individuelt gen. Men for mange gener går enten mammas eller fars kopi tavs. Hele regioner i det ene genom kan lukkes, mens de samme dele af den genetiske kode fra den anden forælder forbliver intakte.
”Hvis nukleotider af DNA er en tekst, kan [disse naturlige ændringer] betragtes som mellemrum eller tegnsætning, der giver mening til en så kompliceret tekst, ” forklarer Mainieri, der ikke var involveret i forskningen.
En stolt mamamus med hendes afkom. Modermusen på dette foto blev født af to mødre og levede, hvad forskere anså for at være et normalt, sundt liv. (Le-Yun Wang / Chinese Academy of Sciences) Udfordringen er, at disse rum og punktuationer i hvert genom er nødt til at samle sig korrekt - noget der sker naturligt med mandlige og kvindelige forældre. Dette finicky fænomen kaldes genomisk imprægning, og det er kritisk for reproduktion af pattedyr. Hvis begge forældres kopier af en af disse normalt "præciserede" gener ved et uheld tændes, kan konsekvenserne være katastrofale, hvilket producerer fostre, der balloner i størrelse, kæmper for at erhverve næringsstoffer eller endda overhovedet ikke nå frem til det.
For forskere, der prøver at avle pattedyr med forældre af samme køn, udgør den nødvendige proces med genomisk indtryk en stor hindring. Omkring midten af det 20. århundrede, da forskere gjorde nogle af de første forsøg på at fremstille musembryoner med to kvindelige genomer, tog det ikke lang tid, før matten med fusionering af æg blev rodet. Begge halvdele af de genetiske instruktioner afspejlede moderprægning, deaktivering og aktivering af de samme regioner i genomet - og uden den faderlige del af ligningen blev nogle gener overudtrykt, mens andre aldrig blev tændt korrekt.
For nylig besluttede en gruppe forskere ved det kinesiske videnskabsakademi ledet af seniorforfattere Wei Li, Qi Zhou og Bao-Yang Hu at prøve et nyt sæt værktøjer til at tackle problemet. Maksimering af deres chancer for at producere sunde afkom fra forældre af samme køn betød at starte med de mindst indtrykte celler - celler, der endnu ikke havde nogen tegnsætning i den genetiske kode. Så forskerne frembragte et usædvanligt sæt æg og sæd ved at slette nogle af de præciserede mærker på genomet og i det væsentlige vende uret tilbage på disse reproduktionsceller, indtil de lignede det genetiske manuskripts uændrede første udkast.
Bevæbnet med et arsenal af "rene" celler, forsøgte forskerne at avle bimaternale mus. For at efterligne elendighed føjede de deres egen version af fadersk prægning til en ren ægcelle, hvor de tre kendte indprægede regioner blev udnyttet af dens genom. Denne teknik slettede i det væsentlige hele afsnit eller kapitler fra ægets genetiske manuskript, hvilket gjorde det til en reproduktionscelle, der fungerede mere som en sædcelle. De injicerede derefter den nyligt manipulerede celle i et normalt æg fra en anden kvindelig mus.
Til deres forbløffelse blev 14 procent af disse bimaternale embryoner - 29 mus i alt - født sunde hunner (uden et Y-kromosom i den reproduktive blanding var mænd en garanteret ikke-integritet). Flere af de bimaternale mus vokste endda op til fødslen af deres egne sunde hvalpe (denne gang gennem et mere naturligt undfangelsesmiddel). Så vidt forskerne kunne fortælle, var de farløse mus fysisk og adfærdsmæssige sunde - men Zhou påpeger, at der kan være mangler hos disse mus, som holdet endnu ikke har opdaget.
En endnu større udfordring blev trukket fremad - bipaternal mus. En musehvalp med to mødre var blevet avlet for første gang i 2004 (skønt med langt lavere succesrate end det nyeste arbejde, der blev opnået). Faderløse mus var på en måde gamle nyheder. Moderløse mus ville på den anden side være “forbløffende”, siger Hugo Creeth, hvis ikke-tilknyttede arbejde på Cardiff University også fokuserer på genetisk indtryk.
En af de største udfordringer ved at føde en mus med genetisk materiale fra to mænd, ifølge udviklingsbiologen University of Pennsylvania, Marisa Bartolomei, er, at der er meget mere indtryk, der skal ske på mammas genom for at det kan gå ordentligt sammen med fars. Det ekstra arbejde, der kræves, får et mandligt genom til at opføre sig som et kvindeligt genom, kan være en del af grunden til, at unisex-reproduktion i naturen skråner hen imod kvindelige-kvindelige forbindelser. (Mens nogle krybdyr, amfibier og fisk er i stand til parring af kun kvinder, har kun en art - zebrafisken - nogensinde produceret afkom uden maternel input og kun i et laboratorium).
"[Det ser ud til, at] sammenlignet med bimaternal reproduktion, skal flere hindringer krydse ved den bipaternale reproduktionsbarriere, " siger Li.
På trods af udfordringerne var forskerne i stand til at generere levende afkom ved hjælp af kun DNA fra to mandlige forældre. En modificeret sædcelle havde seks genetiske regioner fjernet for at gøre den mere ligne et kvindeligt genom og blev derefter kombineret med normal sæd inde i et tom hunæg. (Tomt eller ej, en æggeagtig kabinet er stadig nødvendig for at bringe sæd og sæd sammen.) Disse ulige hybridembryoer - bogstavelige æggeskaller indeholdende dobbeltdoser af faderligt DNA - blev derefter overført til en surrogatmusemor.
Forskere kan avle mus med to fædre, men de er født med svære defekter og overlever ikke til voksen alder. (Le-Yun Wang / Chinese Academy of Sciences) Lidt over en procent af afkommet overlevede. Desværre blev alle hvalpe født med alvorlige defekter og døde næsten øjeblikkeligt. Da forskerne fjernede en syvende aftrykt region fra de redigerede sædceller, fordoblede de imidlertid overlevelsesraten. Valgene voksede stadig ikke til voksen alder, men alligevel havde metoden fungeret, og afkomets kortvarige levedygtighed var monumental.
”Dette viser virkelig, at aftryk er blokken for uniparental udvikling, ” siger Bartolomei. "Vi har kendt det fra modersynets perspektiv, men nu, med de topartnere, er det en første."
Ifølge Li er det næste skridt at forbedre levetiden for bipaternal mus. Det er stadig ikke klart, hvad der dræber musene med to genetiske fædre - det er muligt, at der er andre kritisk afprøvede regioner, der stadig skal "genetisk styres", siger Bartolomei.
Faktisk er det lidt underligt, at så få genetiske manipulationer var nok til at omdanne genomet af det ene køn til noget, der ligner det andet. Der er over 150 gener, der menes at være præget i mus - og listen vokser stadig - men ikke hver eneste af disse gener er kritisk for levende afkom fra fødslen.
Mens den nye genetiske modifikationsteknologi arbejdede på at avle mus med en køn, advarer Mainieri, at det ville kræve et "enormt stort skridt" for at gentage disse eksperimenter i andre pattedyr, herunder mennesker. Selvom Li, Zhou, Hu og deres kolleger er ivrige efter at en dag går videre til primater, er der ingen garanti for, at markeringerne i en arts genetiske manuskript let oversættes til en anden.
Stadigvis tyder disse nye fund på et gennembrud i videnskabsforståelsen for genomisk indtryk af rollen i reproduktion af pattedyr. Derudover er der adskillige lidelser, der stammer fra forkert indtryk i genomet - så selvom moderløse eller faderløse babyer ikke er i horisonten, kan simpelthen forståelse af disse genetiske forandringer ændre vores tilgang til medicin.
”Med denne viden har vi en mulighed for at læse sætninger eller afsnit [i genomisk tekst] på en måde, som vi aldrig har før, ” siger Mainieri. ”Og det er enormt.”
