Teadlased kloonisid hiiri külmkuivatatud naharakkudest, avades ukse biosäilitamisele

Pealtnäha oli Dorami lihtsalt keskmine hiir. Ta kasvas tervislikus kaalus, tal sündis poegi ja ta suri loomulikul teel oma teise sünnipäeva lähedal – umbes 70-aastaselt inimese vanusest ja see oli laborihiire jaoks täiesti ebatavaline.

Välja arvatud üks asi: Dorami klooniti külmkuivatatud rakkudest. Ja mitte ainult ükski rakk – ta klooniti pigem somaatilistest rakkudest (rakud, mis moodustavad meie keha), mitte spermatosoididest või munarakkudest.

Dorami on viimane samm aastakümneid kestnud tõukesse, et kasutada kloonimist bioloogilise mitmekesisuse säilitamise viisina. aasta triumf Dolly lammas tegi selgeks, et reproduktiivrakkude abil on võimalik loomi elustada. Unistus väljasurnud loomade taastamisest või praeguste loomade biopangandusest on teadlaste kujutlusvõimet kütnud sellest ajast peale. Üks võimas viis liigi DNA säilitamiseks on sperma säilitamine vedelas lämmastikus. Ligikaudu -320 kraadi Fahrenheiti juures võivad rakud aastaid külmuda.

Kuid seal on üks luksumine. Sugurakkude kogumine väljasuremise äärel olevatelt loomadelt on pehmelt öeldes äärmiselt keeruline. Seevastu mõne naharaku maha kriimustamine või karva raseerimine on suhteliselt lihtne. Need rakud sisaldavad looma täielikku DNA-d, kuid need on haprad.

Uus uuring, mida juhtis dr Teruhiko Wakayama Yamanashi ülikoolist Jaapanis, tegi hüppe sperma juurest nahale. Töötades välja ülitehnilise retsepti, mis teeks iga peenema koka uhkeks, kloonis meeskond edukalt 75 tervet hiirt külmkuivatatud somaatilistest rakkudest, mis koguti nii isas- kui ka emasdoonoritelt. Paljud järglased, sealhulgas Dorami, said oma poegi.

Maksimaalselt umbes viie protsendi ja nii madala kui 0.2 protsendilise edukuse määraga tehnika pole kaugeltki tõhus. Kuid strateegia loob tee suurema pildi suunas: meie võime säilitada ja potentsiaalselt taaselustada peaaegu väljasurnud liikide geneetilisi variatsioone.

Et Dr Ben NovakRevive & Restore'i juhtivteadlase sõnul on uuring vaatamata selle puudustele tervitatav edasiminek. "Säilitamise seisukohast on reproduktiivselt elujõuliste koetüüpide biopankade uuendamine väga vajalik... seega on tõesti põnev näha sellist läbimurret," ta ütles.

Biosäilitamise kokaraamat

Rakud on peened olendid. Kujutage ette vesist täppi, mille õhupallitaoliste seinte külge on kinnitatud pisikesed molekulaarsed tehased. Raku külmutamisel ilma kaitseta võivad vesised komponendid moodustada teravaid jääkristalle, mis kahjustavad raku sisemisi komponente ja torgavad läbi rakuseina. Kui seda kuumutatakse uuesti normaalse temperatuurini, nagu lekkiv nõelapadi, ei ole rakul võimalust ellu jääda.

Teadlased leidsid lõpuks välja võiduka retsepti rakkude säilitamiseks: võti on keemilise antifriisi lisamine ja rakkude säilitamine vedela lämmastiku raskmetallist mahutites. Rakud on riputatud väikestes viaalides karpide sees, mis libisevad tornitaolisesse metallpuuri. Sõltuvalt rakutüübist säilivad need aastaid. Probleem? Seadistamine on kallis, raskesti hooldatav ja voolukatkestuste oht. Kõik häired võivad kõigis proovides põhjustada katastroofilist kadu. Bioloogilise mitmekesisuse huvides ei ole alati võimalik looma läheduses nii keerukat seadistust luua.

Peab olema parem viis.

Aastaid tagasi läks Wakayama ristiretkele, et nihutada rakkude säilitamise piire. Ta keskendus ühele konkreetsele meetodile: külmkuivatamisele. Enamasti tuntud seljakotiränduritele ja astronautidele toidus toitainete säilitamise viisina, külmkuivatamine osutus suhteliselt lihtsaks. Sajandivahetusel Wakayama ja tema meeskond näitas, et see on võimalik sperma külmkuivatamiseks paljunemiseks. Retsept oli nii jõuline hoidis spermat elus aastaid rahvusvahelise kosmosejaama pardal, olles samal ajal pommitatud ümbritseva kiirgustasemega. See viis ka selleni elusad järglased pärast lauasahtlisse lükkamist aasta jooksul ilma kliimaseadmeta.

Somaatilised rakud on hoopis teine ​​asi. Erinevalt spermast on meie keha moodustavad rakud palju altid meie DNA struktuuri ümbritsevatele veemolekulidele, mille tuum on hapram. Külmutuna võivad rakud saada palju rohkem kahju, mis muudab need kloonimiseks kasutuskõlbmatuks.

"Praegu on ainsad rakud, mis on pärast külmkuivatamist järglasi toonud, küpsed spermatosoidid," kirjutas töörühm.

Uus retsept

Uus töö läks võimatuks: kas me saame kloonida looma külmkuivatatud somaatilistest rakkudest?

Esimeses katsevoorus eraldas töörühm emaste hiirte rakud, mis tavaliselt toetavad munarakku. Nad viskasid rakud kahte kaitsvasse kemikaali ja külmkuivatasid proovid vedelas lämmastikus. See ei olnud ilus: kõigi rakkude kaitsemembraan purunes, ilmnes purunenud, kuid suhteliselt puutumata DNA tunnused.

Edasi künddes rehüdreeris meeskond külmutatud proovi pärast kuni kaheksakuulist ladustamist. Nad eraldasid elutust pulbrist tuumad, DNA-d sisaldava seemnetaolise struktuuri ja siirdasid selle munarakku, mille geneetiline materjal oli välja imetud. See on nagu ühe raamatu teksti asendamine teisega – selle bioloogilise tähenduse täielik muutmine.

See läks keerulisemaks. Need esialgsed "redigeeritud" munarakud ei saanud paljuneda, tõenäoliselt DNA ja epigeneetilise kahjustuse tõttu. Lahendusena kasutas meeskond rakke mitme embrüonaalse rakuliini moodustamiseks. Need on vastupidavad töötajad, eriti tõhusad DNA kahjustuste parandamisel.

Kui meeskond oli õitsenud, imes meeskond välja oma geneetilise materjali ja süstis selle musta karvaga hiirte munadesse. Saadud embrüod jäeti arenema valge karvaga hiirtel – surrogaatemal. Kõik saadud pojad võtsid oma DNA-doonorite läikiva musta karva, täiesti normaalse kaalu ja viljakusega.

"Pärast küpsemist valisime juhuslikult üheksa emast ja kolm isast kloonitud hiirt paaritumiseks tavaliste laborihiirtega," selgitas töörühm. Umbes kolme kuu jooksul sünnitasid kõik kloonitud emased hiired järgmise põlvkonna – neli käppa, vurrud ja hiireharjumused olid terved. Korrates katset naharakkudega sabaotsast, kloonis meeskond veel kümmekond hiirt.

Retsept ei läinud päris nii nagu plaanitud. Ühes kummalises katses kasutas meeskond järgmise põlvkonna kloonimiseks isaste hiirte rakke ja kõik järglased said emasteks. Sügavamale kaevates avastasid nad, et Y-kromosoom, mis tähistab bioloogilist meest, läks protsessi käigus kaduma, mis viis täielikult naiseni. Themyscira saar. Autorite arvates on see protsessi kõver, kuid mitte praktiliseks kasutamiseks. "Need tulemused viitavad sellele, et isegi kui Y-kromosoomi kadu juhtub, saab seda tehnikat siiski kasutada olemasolevate geneetiliste ressursside jaoks äärmuslikes tingimustes, näiteks peaaegu väljasurnud liikide puhul," ütlesid nad.

Konserveerimisraamatukogu?

Tehnika pole kaugeltki täiuslik. See on tüütu, selle õnnestumisprotsent on madal ja nõuab siiski sügavkülmiku hoiustamistemperatuure, mis muudavad selle energiavõrgu rikete tekkeks altid.

Hertfordshire'i ülikooli dr Alena Pance'i jaoks, kes uuringus ei osalenud, on kõige olulisem küsimus, kui kaua saab geneetilist materjali säilitada. "Oleks ülimalt oluline näidata nendes tingimustes pikendatud tähtajatut ladustamist, et see süsteem tagaks liikide ja proovide tõhusa pikaajalise säilimise," ütles ta. ütles.

Autorid nõustuvad, et mõistatusi on rohkem. Kehal võib olla raskem parandada somaatilistes rakkudes esinevaid DNA kahjustusi võrreldes spermatosoididega, mis võtavad neilt energiat täielikult toimiva munaraku arenemisest. Nende epigeneetika– mis reguleerib geenide sisse- või väljalülitumist – võib ka ebatäieliku ümberprogrammeerimise tõttu sassi minna.

Lõppkokkuvõttes on see alles esimene samm. Somaatilisi rakke on paljunemisvõimelistega võrreldes lihtsam püüda, eriti viljatute või noorloomade puhul. Selle lihtsamaks ja odavamaks tegemine on pluss. Meeskond otsib nüüd laipade või väljaheidete geneetilist materjali, et laiendada ulatust.

"Käesolevas töös kirjeldatud lähenemine pakub alternatiivi praegustele pangandusmeetoditele ja kindlasti oleks lubavamate temperatuuride lubamine suureks eeliseks," ütles Pance.

Image Credit: Wakayama jt. al./Nature Communications