Максим Руссо: Новая дорога к сперматозоидам

Максим Руссо Мыши, рожденные из яйцеклеток, которые были оплодотворены полученными сперматозоидами Xiao-YangZhao, Jiahao Sha,Qi Zhou

На прошедшей неделе сенсационной новостью стала публикация в журнале Cell Stem Cell группы китайских ученых. По словам авторов, им удалось впервые в истории получить «в пробирке» сперматозоиды из стволовых клеток. Основные авторы статьи Цюань Чжоу, Мэй Ван, Янь Юань, Сяоян Чжао, Цзяхао Ша и Ци Чжоу. Работают исследователи в лаборатории стволовых клеток и репродуктуивной медицины Института зоологии Китайской академии наук в Пекине и лаборатории репродуктивной медицины Нанкинского медицинского университета.

Заставить стволовые клетки дифференцироваться в соматические клетки определенного типа всегда непростая задача, а уж получить из них половые клетки особенно сложно. Достижения пока невелики. В 2003 году в Пенсильванском университете из стволовых клеток были получены яйцеклетки мышей, но из этих яйцеклеток не смогли получить развивающиеся эмбрионы. В 2012 году также из мышиных эмбриональных стволовых клеток исследователи из Университета Киото получили яйцеклетки и добились рождения из них здоровых мышат. Наконец, в 2014 году ученые из Кембриджского университета и израильского Института Вейцмана сумели получить клетки-предшественники половых клеток человека из клеток кожи, при помощи регуляции работы определенных генов, но по причинам этического и юридического характера не стали продолжать эксперимент.

Со сперматозоидами успехи еще скромнее, чем с яйцеклетками. Команда из Университета Киото в 2011 году смогла из стволовых клеток получить клетки, похожие на предшественники сперматозоидов, но добиться, чтобы эти клетки прошли весь дальнейший путь превращения в сперматозоиды, им не удалось.

Теперь же китайские ученые сообщают, что сумели не только заставить клетки пройти полный цикл сперматогенеза, но и вырастили в результате сперматозоиды, которыми экстракорпорально оплодотворили лабораторных мышей и получили от них здоровое потомство (мышата на заглавной иллюстрации). Достижение это настолько впечатляет, что даже не все специалисты верят, что оно осуществилось в полной мере. Если же дела обстоят действительно так, как сообщается в публикации, то надо признать, что ее авторы станут вероятными кандидатами на получение Нобелевской премии.

Почему же сделать из стволовых клеток клетки половой линии особенно сложно? Чтобы понять это, давайте посмотрим, как образуются сперматозоиды в живом организме. Напомним в начале, что большинство клеток организма (соматические клетки) при делении удваивают свои хромосомы, которые затем расходятся поровну по двум возникающим клеткам. Такой тип деления называется митозом. А половые клетки возникают в результате мейоза, при котором новые клетки получают только половину наследственной информации родительской клетки.

Источником будущих сперматозоидов служат первичные половые клетки (гоноциты). Они возникают еще у эмбриона, не имеющего пока половых желез. Поэтому местом из первичного обитания служит желточный мешок – эмбриональный орган, который у человека работает до конца первого триместра беременности, а потом редуцируется. Образовавшись в желточном мешке, гоноциты потом совершают миграцию через его стенки и попадают туда, где начинают формироваться половые железы. Там они остаются до наступления пубертатного возраста, когда и начинается собственно сперматогенез – образование сперматозоидов.

В мужских семенных железах образование сперматозоидов происходит в семенных канальцах, общая длина которых в организме достигает километра. Созревающие сперматозоиды располагаются на стенках этих канальцев вместе с клетками Сертоли – соматическими клетками, обеспечивающими питание созревающих сперматозоидов и доставку необходимых для этого процесса гормонов. На созревание сперматозоида человека требуется 72 дня. В начале этого процесса гоноцит, сохранившийся с того времени, как организм был эмбрионом, делится митотически, то есть без уменьшения числа хромосом. У двух получившихся клеток разная судьба. Только одна из них превратится в сперматозоид, а вторая так и останется гоноцитом, так что число гоноцитов со временем не сокращается (то есть растратить весь запас сперматозоидов человек никогда не сможет).

Проследим судьбу будущего сперматозоида дальше. Клетка еще три – пять раз поделится митозом, а затем наступит пора двух мейотических делений. Перед первым мейозом клетку называют сперматоцитом первого порядка, перед вторым – сперматоцитом второго порядка, а по завершении второго мейоза – сперматидом. За это время делящиеся клетки при помощи клеток Сертоли постепенно перемещаются из толщи стенки семенного канальца к его просвету. Есть тут и еще одна хитрость: во время миотозов и даже после первого мейоза клетки при делении не отрываются друг от друга полностью, а остаются связанными цитоплазматическими мостиками. Это нужно, во-первых, для обеспечения высокой синхронности деления, а во-вторых, из-за того, что многие белки, задействованные в сперматогенезе, связаны с генами, которые расположены на половых хромосомых (и на X, и на Y), а после мейоза, как мы помним, в клетке останется только одна из этих хромосом.

После второго мейоза сперматид приобретает характерную форму. У него почти полностью исчезает цитоплазма, зато образуются важные для сперматозоида органы: жгутик для движения и акросома, которая в будущем должна помочь ему растворить оболочку яйцеклетки. После этого будущий сперматозоид должен еще дозреть, и лишь после этого он будет готов к использованию. Также для нормального развития эмбриона после оплодотворения важно, чтобы хромосомы в сперматозоидах имели определенный «профиль метилирования», то есть к определенным участкам молекулы ДНК присоединены метильные группы (CH3), которые влияют на работу генов.

Ученый, желающий получить сперматозоиды из стволовых клеток в лаборатории, должен ухитриться воспроизвести все необходимые условия разных стадий сперматогенеза, заставить включаться и выключаться в нужный момент определенные гены, обеспечить необходимые гормоны (опять-таки на разных стадиях – разные), контролировать характеристики среды, в которой растут клетки.

Чтобы добиться успеха, китайские исследователи применили ряд цитокинов, которые близки сигнальным молекулам, определяющим развитие эмбриона на начальных стадиях. В результате взятые для эксперимента эмбриональные стволовые клетки мышей удалось дифференцировать в эпибластоподобные клетки, то есть похожие на клетки желточного мешка, а затем и в гоноцитоподобные клетки. В дальнейшем авторы работы выращивали гоноцитоподобные клетки вместе с клетками эпителия семенных желез новорожденных мышей. Такой состав среды, по их мнению, наиболее точно воспроизводит ситуацию в семенных железах живой мыши. Затем в эту среду надо было добавлять вещества, которые направляли развитие гоноцитоподобных клеток в нужную сторону, а также необходимые гормоны. По словам авторов, им пришлось проделать сотни экспериментов, прежде чем они подобрали все нужные компоненты и установили необходимый порядок этих действий. Им удалось вовремя заставить клетки перейти от митоза к мейозу.

Схема эксперимента

Итогом всей этой работы стали все-таки не сперматозоиды в полном смысле слова, а похожие на незрелые сперматозоиды клетки, лишенные жгутика и акросомы. Зато у них сохранялись клеточные органы, которые у нормальных сперматозоидов отсутствуют. Все развитие клеток от гоноцитоподобных до сперматидоподобных занимает 14 дней.

Сперматидоподобные клетки, полученные китайскими учеными

Самостоятельно такие клетки не смогли бы оплодотворить яйцеклетку, но ученые применили метод ICSI (intracytoplasmic sperm injection) – интрацитоплазматической инъекции сперматозоида в яйцеклетку. В данном случае сперматозоид попадает прямо в цитоплазму яйцеклетки при помощи специальной иглы. Оплодотворенные полученными клетками яйцеклетки были имплантированы в матку мыши, и в итоге родились шесть мышей. Сейчас они уже сами произвели потомство.

Часть ученых воспринимает сообщение об этом открытии с большим скептицизмом. Митинори Саитоу, который возглавляет группу Университета Киото, впервые получившую гоноцитоподобные клетки, отмечает, что ряд моментов в статье показали ему странными. Например, китайские исследователи культивировали клетки при температуре 37° C, что примерно на три градуса выше температуры, при которой происходит нормальный сперматогенез. Также он отмечает, что в гоноцитоподобных клетках, полученных в Китае, не отмечается всех белков, необходимых для данного типа клеток, что ставит под сомнение возможность вырастить из них сперматозоиды. Вызывает сомнение неожиданное ускорение развития клеток. Как уже говорилось, в клеточной культуре сперматидоподобные клетки были получены за 14 дней, тогда как в живой мыши этот процесс занимает больше четырех недель. Такехико Огава, специалист по биологии развития из Университета Иокогамы, намерен повторить эксперимент китайских ученых с целью проверки их результатов. Один из руководителей китайского коллектива, Ци Чжоу, в ответ на такие намерения утверждает, что протокол их эксперимента вполне воспроизводим в других лабораториях. Сами же китайские исследователи планируют перейти к экспериментам на человеческих стволовых клетках.

Даже при условии, что полученные результаты окажутся воспроизводимыми, клиническая перспектива нового метода остается далекой. Различие между человеком и мышью довольно значительны, и выявленный «рецепт» выращивания сперматозоидов из стволовых клеток мыши для человеческих сперматозоидов не подойдет.

Смотрите также: Александра Брутер Хромосомные войны Александра Брутер Кому нужен партеногенез? Половые клетки получены из клеток кожи человека Японцы научились изготавливать яйцеклетки и сперматозоиды из клеток мышей