Исследователи разрабатывают новый метод определения половых хромосом в сперматозоидах
Ученые обнаружили, что существует возможность проведения сортирования сперматозоидов мыши перед процедурой ЭКО с помощью обработки спермы препаратом, который избирательно замедляет клетки, несущие Х-хромосому.
В Х—хромосоме млекопитающих содержится множество генов, которых нет в Y-хромосоме. Это их особенность, которая имеет особое значение для сперматозоидов, а также и для ученых.
Командой японских исследователей было обнаружено, что Х-хромосома мыши несет два белковых рецептора, которые при химической активации способствуют замедлению сперматозоидов, несущих Х-хромосому, и облегчает их отделение от сперматозоидов, несущих Y-хромосому. С помощью оплодотворения in vitro ооцитов отобранных с помощью данного метода гаметами, ученые могли избирательно получать мышиные пометы с преобладанием потомства женского или мужского пола, сообщается в PLOS Biology.
«Это определенно отличная работа», — отмечает Джеймс Найт, биолог-репродуктолог в Virginia Tech, который не был задействован в исследовании. «Вся методология, которую они описывают, учитывая точность разделения X-и Y-несущих сперматозоидов, имеет огромную применимость у ряда видов.»
Биолог-репродуктолог Масаюки Шимада из Университета Хиросимы и его коллеги изначально инициировали исследование с целью лучшего понимания генетических различий между X- и Y-несущими сперматозоидами и того, могут ли они объяснить различия в подвижности X — и Y-несущих сперматозоидов, которые предыдущие исследователи наблюдали в специфических условиях in vitro.
Согласно данным секвенирования РНК, сперматозоиды мыши несут 492 гена на Х-хромосоме, но только 15 генов на Y-хромосоме. Среди экспрессируемых на Х-хромосоме, команду заинтересовали два гена, кодирующие клеточные рецепторы — Toll-подобные рецепторы (TLR) 7 и 8. Семейство белков TLR играет важную роль в распознавании патогенов, таких как бактерии и вирусы. Кроме того, Шимада и коллеги обнаружили ранее, что при стимуляции определенные рецепторы TLR—TLR2 и TLR4, закодированные на хромосомах, не связанных с полом, препятствуют движению сперматозоидов.
При окраске семенников мыши с помощью антител к TLR7 и TLR8 исследователи подтвердили, что они экспрессировались на X — но не на Y-несущих сперматозоидах. Это свойство заинтересовало Шимада, потому что продукты большинства X-связанных генов, которые экспрессируются в сперме, распределяются также и в сперматозоиды, несущие Y-хромосому, так как гаметы в течение развития связаны с помощью цитоплазматических мостиков. TLR7 и TLR8, по-видимому, экспрессируются после утраты цитоплазматических мостиков, поэтому они позволяют выявить функциональные различия между спермой с хромосомами X и Y, — объясняет Шимада.
С целью исследования данной возможности команда инкубировала сперму с веществом резиквимод — противовирусным препаратом, активирующим оба рецептора. Как правило, все сперматозоиды обычно плывут вверх, когда находятся в пробирке. После обработки им количество X-несущих сперматозоидов в верхней части пробирки было значительно ниже, что позволяет предположить, что они просто медленнее продвигались. «Линейная скорость подвижности [сперматозоидов, несущих X] была замедлена более, чем в два раза», — пишет Шимада в редакцию The Scientist.
Затем группа исследователей изучила, почему резиквимод оказал такое влияние. Они обнаружили, что в обработанных сперматозоидах, несущих Х-хромосому, резко упал уровень АТФ. Дальнейшие эксперименты показали, что активация препаратом рецептора TLR8 подавляет митохондриальную активность в средней части сперматозоида, а стимуляция TLR7 подавляет ферменты, регулирующие процесс производящего энергию гликолиза в хвосте. Это оставляет сперматозоидам, несущим Х-хромосому, меньше энергетических запасов, — отмечают исследователи.
«Это первый случай, когда Toll-подобные рецепторы 7 и 8 были идентифицированы как оказывающие такое воздействие», — утверждает Найт. «О них обычно просто думают, как о большинстве Toll-подобных рецепторов, то есть в качестве опосредующих различные иммунные реакции. Так что это, безусловно, новое открытие», — говорит он.
Чтобы увидеть, можно ли использовать резиквимод для разделения сперматозоидов по полу, команда собрала верхний и нижний слои сперматозоидов из пробирки после обработки препаратом, провела оплодотворение ооцитов мыши in vitro и имплантировала полученные эмбрионы в мышей. При использовании сперматозоидов из верхнего слоя были получены 77 эмбрионов на стадии бластоцисты, 83 процента из которых привели к рождению потомства мужского пола. Сперматозоиды из нижнего слоя способствовали развитию 83 эмбрионов, 81 процент из которых были женского пола.
Селекция по полу в клинике и в животноводстве
Шимада утверждает, что, по его мнению, данный метод селекции сперматозоидов по полу может оказаться более дешевым и быстрым, чем методы, используемые в настоящее время для селекции по полу сперматозоидов млекопитающих. Одна доминирующая методика — это Белтсвильская технология селекции сперматозоидов по полу, разработанная в 1980-х годах, в которой сперму обрабатывают флуоресцентным ДНК-связывающимся красителем. Так как X-хромосома больше по размеру, чем Y, она абсорбирует большее количество красителя и сильнее флуоресцирует в УФ свете, чем Y-несущие сперматозоиды, что позволяет отобрать Х-несущие сперматозоиды с помощью проточной цитометрии.
Технология на основе проточной цитометрии требует «довольно дорогого оборудования и определенных знаний для работы», говорит Найт. В методике Шимада он видит некоторые преимущества по части стоимости и эффективности, отмечая, что она имеет сопоставимую с известными технологиями точность в сортировке сперматозоидов.
Сортировка сперматозоидов имеет несколько применений в животноводстве, в частности, для молочного скотоводства, где ее используют с целью сокращения количества произведенных телят мужского пола. «Рожденных телят мужского пола в основном вскоре забивают», — утверждает Найт, и это проблематично, так как они менее ценны для производства молока, и их забой в молодом возрасте вызывает этические вопросы.
Шимада и Найт предполагают, что исследование может иметь отношение к выбору пола до ЭКО у людей. Тем не менее, Луиза Кинг, акушер-гинеколог и медицинский биоэтик Гарвардской Медицинской школы, предупреждает, что технология сортировки сперматозоидов уже была опробована в ЭКО у человека для пациентов с риском рождения детей с сексуальными расстройствами, а также для тех, кто хотел выбрать пол своих детей. «Это не было особенно коммерчески успешным, потому что показатель успеха был недостаточно хорош», — говорит она. Например, в одном исследовании 2014 года, в котором была оценена эффективность сортировки с помощью проточной цитометрии с точки зрения влияния на пол ребенка, было показано, что сортировка сперматозоидов в случае выбора женского пола привела к рождению потомства женского пола в 94 процентах случаев, а для мужского пола потомство состояло из особей мужского пола на 85 процентов.
Такой показатель успеха не всегда привлекает семьи, сталкивающиеся с проблемой выбора пола для своего ребенка, учитывая, что у них имеется еще один вариант, который является эффективным на 100%, — утверждает Кинг. Клиники ЭКО в США, которые предлагают выбор пола, делают это, создавая несколько эмбрионов и выбирая эмбрион, который имеет желаемый пол. «Я не думаю, что сортировка сперматозоидов отвоюет господство у метода отбора эмбрионов в качестве способа селекции пола», — говорит она.
Является ли такой выбор этичным — это уже отдельный вопрос, — говорит Кинг. Американское сообщество репродуктивной медицины считает селекцию пола для немедицинских целей «этически противоречивой» и призывает клиники разрабатывать свою собственную политику, в то время как в большинстве европейских стран такая практика запрещена.
TheScientist, August 13, 2019
KATARINA ZIMMER