Химеры человека и мыши: американские биологи провели уникальный эксперимент с клетками эмбрионов

16 мая 2020 | 12:00

Американским биологам удалось создать химерные зародыши человека и мыши, в которых доля человеческих клеток составила до четырех процентов.

Работа опубликована в журнале Science Advances.

В предыдущих экспериментах клетки человека встраивались в такие зародыши плохо, и их не всегда удавалось обнаружить. Проблема состоит вот в чем: на той стадии развития, когда возможно создание химеры, клетки человека и мыши находятся в разных состояниях.

Зародыш мыши в этот момент состоит из наивных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) — они способны дать начало всем зародышевым, а также некоторым внезародышевым тканям. Клетки человека на этой же стадии называют примированными ЭСК — из них внезародышевые ткани не получатся, поскольку они уже начали дифференцировку.

Сейчас известно несколько способов перевести ЭСК человека из примированного состояния в наивное — это, например, химические ингибиторы или экспрессия определенных генов (мы также рассказывали об одном механическом способе). Но во всех этих случаях эффективность встраивания в постимплантационный зародыш невысока: в химерах человек-свинья удалось заметить лишь отдельные клетки человека, а в химерах человек-мышь их практически не удается разглядеть.

Цзянь Фэн (Jiang Feng) из Нью-Йоркского государственного университета в Баффало и его коллеги предложили еще один способ решения проблемы. Дело в том, что наивность мышиных ЭСК может быть связана с диапаузой — состоянием, при котором развитие эмбрионов тормозится на время, пока мать вынашивает или выкармливает предыдущее поколение детенышей. Известно также, что диапаузу у мышиных эмбрионов можно вызвать, если заблокировать белковый комплекс mTOR, который подстегивает клеточный обмен веществ. Поэтому Фэн с коллегами предположил, что можно обработать человеческие ЭСК блокаторами mTOR и тем самым синхронизировать их с клетками в зародыше мыши.

Для начала исследователи проверили, что выбранный ими метод работает. Они разработали протокол с участием распространенного блокатора mTOR — рапамицина, а также альтернативного блокатора — Torin1. Полученные колонии наивных ЭСК экспрессировали все необходимые маркеры и образовывали опухоли (тератомы) при введении в организм мыши, то есть удовлетворяли критериям эмбриональных клеток. При этом их функциональные свойства изменились: например, они стали лучше делиться. В то время как исходная культура примированных ЭСК увеличилась в 10 раз за 6 дней, культура наивных ЭСК — почти в 1000 раз. Изменения затронули также экспрессию генов и уровень метилирования ДНК.

Затем авторы работы ввели наивные ЭСК человека, экспрессирующие зеленый флуоресцентный белок, в мышиные морулы — эмбрионы первых дней развития, которые представляют собой просто группу одинаковых клеток. Из химерных морул развились бластоцисты — клеточные шары с рыхлой массой внутри — причем человеческие клетки светились как во внешнем слое, так и во внутреннем. Далее эти бластоцисты подсадили мышам и полученные эмбрионы забирали на анализ вплоть до 17-го дня развития (отсчет с момента оплодотворения). Исследователей интересовало, в какие ткани смогут встроиться клетки человека. В итоге они были обнаружены как в печени (производное внутреннего зародышевого листка, энтодермы), так и в сетчатке (производное внешнего листка, эктодермы), и даже в сердце и костном мозге (производные среднего листка, мезодермы).

Подсчитав долю общей ДНК человека в химерном зародыше, авторы работы обнаружили, что от 0,14 до 4,06 процентов клеток (в зависимости от конкретного зародыша) были человеческими. По сравнению с предыдущими работами, в которых эти клетки с трудом удавалось обнаружить, здесь можно говорить о стабильном встраивании клеток человека в мышиный зародыш после имплантации.

Чтобы избежать этических споров, исследователи проверили: клетки человека не попали в зачатки половых органов мышей (это одно из строгих ограничений на создание таких химер). Что же касается нервной системы, авторы работы отмечают: хоть отдельные клетки там и были обнаружены, в таком скромном количестве и на таких ранних стадиях они не могли внести существенный вклад в формирование мышиного мозга. Тем не менее, их исследование демонстрирует, что принципиальные трудности в создании химерных зародышей — не столько этические, сколько технические, однако их, в отличие от этических, постепенно удается преодолеть.

Читайте также: Пес-химера: у американской собаки нашли лишнее ухо и пасть