Лабораторные стволовые клетки инициируют ключевые этапы формирования человеческих яйцеклеток и сперматозоидов

Более одной шестой взрослых людей в мире сталкиваются с бесплодием. Существует высокая неудовлетворенная потребность не только в увеличении доступа к доступной, качественной помощи по лечению бесплодия, но и в новых биомедицинских решениях, которые могут устранить его первопричины.

Некоторые из ранних причин бесплодия связаны с проблемами в биологическом явлении, известном как «мейоз» — особом виде деления клеток для формирования яйцеклеток и сперматозоидов (гамет). Мейоз начинается с клетки-предшественника с двумя наборами хромосом (от матери и отца) и заканчивается производством зрелых гамет. В процессе материнские и отцовские копии хромосом обмениваются информацией, создавая новую комбинацию генетического кода, и в итоге в гамету должна попасть только одна копия каждой хромосомы. Ошибки в этих процессах могут привести к аномальному числу хромосом (анеуплоидии), выкидышам и нарушениям развития. Однако воспроизведение мейоза вне человеческого тела, что в перспективе позволило бы создавать здоровые гаметы для нуждающихся родителей, было крайне сложной задачей.

Исследователи из Института Висса при Гарвардском университете и Гарвардской медицинской школы (HMS) разработали in vitro метод, позволяющий дифференцировать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) по пути мейоза. Вводя в iPSC коктейль генов, включающих специфичные для мейоза программы экспрессии, а также препараты, изменяющие обработку сигналов в клетках, команда впервые наблюдала живые человеческие клетки, инициирующие мейоз вне тела. Результаты опубликованы в Science Advances.

Ускоренный путь к мейозу

«Чтобы создать сами яйцеклетки и сперматозоиды, нам нужно провести клетки через все мейотические деления», — сказал первый автор исследования Меррик Пирсон Смела, Ph.D. В организме клетки-предшественники гамет проходят через состояние «примордиальных половых клеток» (PGC), прежде чем вступить в мейоз. Предыдущие методы культивирования клеток могли достичь состояния PGC, но полученные PGC-подобные клетки не могли успешно выполнить мейоз. «Наш протокол полностью обходит стадию PGC, значительно упрощая процесс инициации мейоза», — объяснил Смела.

Чтобы реализовать этот «ярлык», Смела и его коллеги нашли комбинации генов, активация которых в клетках заставляет их инициировать мейоз. Сначала исследователи модифицировали стволовые клетки так, чтобы они становились флуоресцентными при начале мейоза. Затем они активировали комбинации генов, предположительно участвующих в мейозе. В некоторых комбинациях клетки становились флуоресцентными, что указывало на начало мейоза.

Добавление в культуральную среду двух химических веществ — синтетического аналога витамина А и ингибитора метилирования ДНК — дополнительно повысило эффективность вступления в мейоз. Метильные группы подавляют экспрессию близлежащих генов и также удаляются при нормальном развитии гамет для создания «чистого листа» для их дифференцировки.

Протестировав комбинации факторов на 646 493 отдельных клетках, команда обнаружила три регуляторных гена — BOLL, MEIOC и HOXB5, — каждый из которых может активировать мейоз в их системе. Роль первых двух была известна ранее, но функция HOXB5 оказалась неожиданной. Кроме того, для предотвращения запрограммированной гибели клеток во время индукции мейоза требовался ген BCL2, стабилизирующий митохондрии.

Температурный режим мейоза

Тщательный анализ экспрессии белков и РНК во время индукции мейоза, а также варьирование условий культивирования позволили сделать дополнительные наблюдения:

• Клетки эффективно проходили первые две стадии мейоза (лептотену и зиготену) примерно за 12 дней, когда хромосомы резко конденсируются и спариваются.
• К 15-му дню несколько клеток достигали третьей стадии (пахитены), когда спаренные хромосомы обмениваются информацией, но дальше не продвигались. Исследователи сейчас оптимизируют систему, чтобы позволить клеткам пройти через весь мейоз.
• Клетки как мужского, так и женского происхождения (из мужских и женских iPSC) вступали в мейоз эффективнее при культивировании при 34°C (температура яичек), а не при 37°C (температура тела). Хотя известно, что развитие сперматозоидов требует более низкой температуры, тот факт, что она помогает и женским клеткам, стал неожиданностью.
• Большинство дифференцирующихся клеток имели признаки клеток яичников, а не семенников, что указывало на предпочтительную активацию программы дифференцировки яйцеклеток, даже при старте с мужских iPSC.

По словам Смелы, ближайшие применения нового протокола включают разработку мужских контрацептивов и тестирование новых кандидатов в лекарства на репродуктивную токсичность. В долгосрочной перспективе технология может помочь в решении проблемы бесплодия путем выращивания здоровых яйцеклеток и сперматозоидов для нуждающихся в них людей.