Пол лабораторной мыши имеет значение или почему генетически модифицированные мыши важны для исследований

Эти мыши были генетически модифицированы для получения родительских однополых пометов.

В идеальном мире некоторых фермеров, коровы давали потомство только женского пола, свиноматки не рожали бы хряков, а все цыплята вырастали бы курами. Такое соотношение полов не будет вынуждать их истреблять миллионы самцов животных, которые не производят яиц и молока.

Теперь ученые на один шаг приблизились к этой реальности. Исследователи использовали редактор генов CRISPR для создания пометов мышей одного пола. Это потенциальное благо для сельского хозяйства и может обеспечить более непосредственное преимущество в научных исследованиях. Исследование показало современное решение для создания особей одного пола с впечатляющими результатами, — говорит Эхуд Кимрон, эксперт CRISPR из Тель-Авивского университета, который не принимал участия в работе.

Воздействие на лабораторных животных может быть существенным. За последние 5 лет было опубликовано около 25 000 статей с использованием мышей в гендерных исследованиях, — сказал соавтор исследования Джеймс Тернер, молекулярный генетик из Института Фрэнсиса Крика. Если бы мы могли предотвратить появление неисследуемого пола, число спасенных мышей исчислялось бы сотнями тысяч.

Существуют и другие методы изменений соотношения самцов и самок новорожденных животных. Ученые могут сортировать генетический материал по весу половых хромосом или вызывать гибель эмбрионов одного пола до рождения. В работе, опубликованной 2 года назад, исследователи, использующие редактор генов CRISPR, смогли создать измененных мышей, у которых все четыре из пяти пометов были женского пола.

В текущей работе эта эффективность возрастает до 100%, что является критическим отличием, поскольку не производится потомство «неправильного» пола. Авторы нацелены на ген, который идентичен у многих животных, поэтому метод может быть полезен не только для мышей. Этот подход, по-видимому, применим и к другим видам животных, включая птиц и рыб, — говорит Майкл Уайлс, молекулярный генетик из лаборатории Джексона, который не принимал участия в исследовании. Это может даже помочь восстановить исчезающие виды, в зависимости от того, какой пол отсутствует, сказал Уайлс.

Неравномерное соотношение полов широко распространено среди лабораторных животных. Ученые, разрабатывающие новые разновидности генетически модифицированных мышей, предпочитают самцов, которые могут производить новый помет каждые несколько дней, в то время как самкам требуется от 6 до 8 недель, чтобы произвести его. Для исследований репродуктивной системы требуются самцы или самки, а для некоторых исследований гормонов и видов рака, требуется только один пол. Крайне важно разработать способы получения однополых пометов, — говорит Кимрон.

В новом исследовании Джеймс Тернер и молекулярный генетик Шарлотта Дуглас работали с Питером Эллисом из Университета Кента, чтобы использовать редактор генов CRISPR для создания пометов мышей, которые все являются женскими или мужскими. CRISPR состоит из двух частей: ферментного комплекса, который физически разрушает целевой ген в геноме, и направляющей РНК, которая распознает целевой ген и направляет комплекс в нужное место.

Подход CRISPR перспективен для сдерживания выбраковки лабораторных животных.

Чтобы «деактивировать» эмбрионы только одного пола, команда разделила комплекс CRISPR, поместив ген фермента C наполовину в один родитель, а ген для направляющей РНК — в другой. Но сначала им нужно было найти молекулярную мишень, которая эффективно уничтожила бы эмбрионы. Это должно было быть выражено на достаточно высоком уровне и в нужное время в процессе разработки, чтобы гарантировать 100% исключение, — говорит Тернер. Команда выбрала ген под названием топоизомераза 1 (TOP 1), который является ключом к делению клеток, его отключение должно привести к быстрой гибели очень раннего эмбриона.

Дуглас вставил ген направляющей РНК, нацеленной на TOP 1, в геном самки мыши и прикрепил ДНК, кодирующую комплекс CRISPR, к Y-хромосоме самца. Фермент и направляющая РНК воссоединились только тогда, когда сперматозоид с Y-хромосомой оплодотворил яйцеклетки самки, создав комбинацию X/Y, которая идентифицирует самца.

Когда развивающийся эмбрион мужского пола состоял всего из нескольких десятков клеток, генное редактирование включилось и «деактивировало» этот эмбрион до того, как у него появился шанс внедриться в матку. Действительно, мыши мужского пола не родились, сообщила команда в Nature Communications. Обратное было верно, когда комплекс CRISPR был прикреплен к Х-хромосоме самца, здесь не было возможности имплантировать все женские эмбрионы.

Модификация также облегчила жизнь мышам. Когда эмбрионы неправильного пола погибают до имплантации, матери остается меньше эмбрионов, что увеличивает вероятность того, что «правильные» эмбрионы выживут. Возможно, именно поэтому исчезновение нежелательных эмбрионов привело к появлению большего, чем ожидалось, помета желаемого пола. Пометы должны были быть вдвое меньше обычных, но они были всего на 30-40% меньше. Топоизомераза 1 присутствует у многих животных, поэтому этот подход должен работать и на других видах, сообщается в исследовании.

Некоторые полагают, что это может решить возможные этические дилеммы. «Выбор делается до рождения животного», — говорит Так Мак, генетик из Онкологического центра принцессы Маргарет в Торонто. Там используются только самки мышей для исследований рака молочной железы, поэтому приходится жертвовать всеми родившимися самцами. Эта новая технология устранит эту неприятную и неэффективную реальность, — говорит он.

Сью Лири, президент Фонда альтернативных исследований и разработок, некоммерческой организации, которая ищет альтернативы животным для исследований, говорит, что видит мало пользы от этого подхода. Вы не можете решить этическую проблему с помощью другой этической проблемы, которая заключается в генной инженерии, — говорит она. Она утверждает, что этот метод непрактичен для выбраковки сельскохозяйственных животных, и исследователи могут найти альтернативы использованию мышей.

Мало кто обеспокоен тем, что этот подход будет опробован на людях. Во-первых, это лучше всего работает с видами, у которых большие пометы и короткие периоды беременности. Мыши рожают дюжину детенышей через 3 недели после спаривания. Во-вторых, этот подход требует генетических модификаций, которые невозможны у людей.

Сегодня мы создаем мышей, способных производить потомство бесплатно для научных исследований. Ученые, в том числе Кимрон и иммунолог Тель-Авивского университета Мордехай Герлик, говорят, что они с нетерпением ждут следующих шагов. Лаборатория Герлика — это та, которая пару лет назад смогла оплодотворить по меньшей мере 80% самок с помощью CRISPR. “Я был очень рад видеть, что они использовали аналогичный подход и что они также нацелены на ту же область в Y-хромосоме», — говорит Герлик. В будущем будет важно идентифицировать другие области Y-хромосомы, особенно при попытке расширить подход применительно к другим животным.