CRISPR-редагування перетворило самців на стерильних реципієнтів чужої сперми

Американські генетики і ветеринари випробували створення мутантних стерильних сільськогосподарських тварин для того, щоб надалі пересаджувати таким свиням, козлам і бикам сперматогенні клітини від самців з цінними якостями і робити з них «сурогатних батьків». Для цього вченим довелося клонувати тварин, а також редагувати ембріони за допомогою CRISPR для вимикання в них гена. Результати експериментів описано в статті в

Трансплантація сперматогенних стовбурових клітин в насінники може бути затребувана в медицині, наприклад, таким способом теоретично можна повернути фертильність чоловікові після променевої терапії раку (така можливість вже була показана на мавпах). Ще більше в цій технології зацікавлене тваринництво - за допомогою пересадки матеріалу від цінного самця-виробника в здорові насінники стерильних самців можна значно збільшити кількість потомства, що володіє заданими якостями.

Виведення «сурогатних батьків» стикається з двома основними проблемами. Перша - власне, пересадка клітин. Дослідження на мишах показали, що в насінниках існує невелика популяція попередників сперматозоїдів (сперматогоніїв), які після виділення можна перетворити на зрілі функціональні сперматозоїди. В експериментах на мишачих моделях було підтверджено, що такі клітини дійсно можна пересаджувати, однак чи працює це на великих сільськогосподарських тварин, було незрозуміло.

Друга проблема стосується стерилізації потенційних реципієнтів стовбурових клітин. Їхнє власне насіння має бути повністю знищене, щоб уникнути конкуренції з матеріалом донора, при цьому репродуктивна система повинна нормально функціонувати. В експериментальних моделях це вирішувалося локальним опроміненням насінників або хімічною стерилізацією препаратом бусульфаном. Однак ці методи призводять до накопичення мутацій у клітинах репродуктивної системи, до того ж не гарантують стовідсоткової стерильності.

Дослідники з Центру репродуктивної біології університету Вашингтона під керівництвом Йона Отлі (Jon Oatley) спробували вирішити проблему стерильності реципієнтів шляхом створення трансгенних тварин з мутацією в гені. Цей ген відіграє ключову роль у диференціації статевих клітин за чоловічим типом, і при його вимкненні сперматозоїди не формуються.

Перший раунд експериментів вчені провели на мишах, з уже готовою лінією тварин з вимкненим. Підтримувати таку лінію в лабораторії можна завдяки тому, що стерильні тільки самці з вимкненими обома копіями гена, а гетерозіготні самці і самки зберігають фертильність. Білим стерильним мишам місячного віку успішно пересадили стовбурові сперматогонії від донорів з чорною вовною, і підтвердили, що ця операція призводить до відновлення фертильності, і що потомство на сто відсотків несе генетичний матеріал донорів. При цьому у реципієнтів не виникло імунного відторгнення донорського матеріалу, про який раніше турбувалися вчені.

Після цього дослідники перейшли до експериментів на великих тварин - свинях і козах, генетичні операції з якими вже досить добре відпрацьовані (наприклад, тут ми розповідали, як китайці повернули свиням морозостійкість). Для отримання мутантних свиней з мутацією в генетики спочатку за допомогою CRISPR-Cas9 отримали свинячі клітини сполучної тканини з двома зламаними копіями гена. Потім за допомогою перенесення соматичних ядер в яйцеклітину (таким способом клонували овечку Доллі) вони клонували ембріони, з яких, після підсадки сурогатним матерям, народилося кілька стерильних поросят.

На жаль, у деяких клонованих свиней виникли проблеми з кістками, тому пересадити стовбурові клітини в насінники вдалося тільки двом боровам. У міру зростання у них регулярно досліджували еякулят і перевіряли наявність у ньому сперматозоїдів. У однієї тварини стовбурові клітини дійсно розвинулися в сперматозоїди, проте їх виявилося занадто мало для нормального запліднення. Тим не менш, вчені вважають експеримент успішним і повторили його на козах. Мутантні кози виявилися здоровими, тому генетики зробили висновок, що проблеми з кістками у свиней були не пов'язані з вимкненням гена. Сперматогенні стовбурові клітини ввели трьом козятам, і через 136 днів після трансплантації в одного з них розвинулися нормальні рухомі сперматозоїди.

У третій серії експериментів генетики спробували вивести стерильних мутантних биків. Для цього вченим довелося провести CRISPR-редагування ембріонів, щоб інактивувати в них ген (мабуть, клонувати корів з фібробластів складніше, ніж свиней). З 32 підсаджених ембріонів народилося тільки два теля, які виявилися мозаїками по гену Nanos2, тобто в деяких тканинах ген був зламаний, а в деяких виявився недоторканим (мозаїчність - основна проблема CRISPR-редагування ембріонів, поряд з нецільовим редагуванням). Тим не менш, біопсія тканин насінників показала, що бички повинні бути стерильними. Таким чином, автори роботи зробили висновок, що вимкнення гена ефективно працює на різних видах сільськогосподарських тварин для отримання стерильних реципієнтів і майбутнього вирощування «сурогатних батьків».

Ще одне потенційне застосування цієї технології - збереження вимираючих видів. Наприклад, в даний час вчені намагаються врятувати від остаточного вимирання північних білих носорогів. Всі самці цього підвиду вже померли, проте їх заморожену сперму використовували для отримання життєздатних ембріонів шляхом запліднення в пробірці яйцеклітин решти самиць.