Японские ученые смогли превратить клетки кожи мыши в яйцеклетки, а затем вырастить из них здоровое потомство. Это первое создание половой клетки вне тела млекопитающего. Если этот процесс можно будет повторить для людей, возможно в будущем человечество сможет решить проблему бесплодия.

Катсухико Хаяси, репродуктивному биологу из университета Кюсю в Фукуоке, совместно со специалистом в области стволовых клеток Митинори Сайто удалось сначала перепрограммировать стволовые клетки в эмбриональные, а их в примордиальные зародышевые клетки (ПЗК). Эти клетки появляются, когда эмбрион начинает развиваться, и позже они дают начало сперматозоидам и яйцеклеткам. Раньше исследователям нужно было переносить их в яичники живых мышей, чтобы они могли там окончательно развиться. Однако теперь необходимость в этом отпала. Метод Сайто и Хаяси позволяет ученым создавать неограниченное количество ПЗК, которые ранее было трудно получить. Это открытие стимулировало исследования в области воспроизводства млекопитающих.

У мышей зародышевые клетки появляются на первой неделе эмбрионального развития, в количестве примерно 40. Эта небольшая группа продолжает формировать десятки тысяч яйцеклеток, которые самки мышей имеют при рождении, и миллионы клеток спермы у самцов.

За 10 лет кропотливой работы Сайто и его команда выявили несколько генов – Stella, Blimp1 и Prdm14, которые в определенной комбинации играют решающую роль в развитии ПЗК. Используя эти гены в качестве маркеров, они могли выбрать ПЗК из числа других клеток и изучить, что с ними происходит. В 2009 году во время экспериментов в Центре биологии развития при Институте физико-технических исследований (RIKEN) в Кобе было установлено, что при соблюдении всех условий, необходимых для культивирования, добавление костного морфогенетического белка Bmp4 в строго определенное время приводит к преобразованию эмбриональных стволовых клеток в ПЗК. Чтобы проверить этот принцип, Сайто добавил высокую концентрацию Bmp4 в эмбриональные клетки, и почти все из них превратились в ПЗК. Он и другие ученые ожидали, что процесс будет более сложным.

Позже к Сайто присоединился Хаяси, который попытался использовать клетки эпибласта — многоклеточного зародыша, имеющего однослойное строение – отправную точку Сайто. Но вместо того, чтобы использовать отдельные клетки, как это делал его коллега, он попытался взять устойчивую клеточную линию, которая может воспроизвести ПЗК. Это не сработало. После неудачи Хаяси продвинулся в другом исследовании, которое показало, что молекулы активина А и основной фактор роста фибропластов могут преобразовать выведенные ранее эмбриональные стволовые клетки в клетки, сродни эпибластам. Так появилась идея использовать два эти фактора, чтобы побудить эмбриональные клетки дифференцироваться в эпибласты, а затем применить предыдущую формулу Сайто, чтобы подтолкнуть получившиеся клетки превратиться в ПЗК. Такой подход оказался успешным. Чтобы проверить, смогут ли эти клетки развиться в жизнеспособные сперматозоиды и яйцеклетки, Сайто внедрил их в семенники мышей, которые не могли вырабатывать сперму естественным путем, и таким образом им восстановили фертильность. Затем команда осеменила искусственно созданными сперматозоидами обычные яйцеклетки. В результате получилось здоровое потомство.

Следующий большой прорыв в исследованиях произошел в 2016 году, когда команда во главе с Яёй Обата из Токийского университета сельского хозяйства сообщила о трансформации ПЗК, выделенных из эмбрионов мышей, в ооциты (яйцеклетки) без участия млекопитающего. Работая с Обата, Хаяси и Сайто завершили цикл: от клеток кожи они пришли к функционирующим яйцеклеткам в пробирке. При использовании экстракорпорального оплодотворения на свет появились 26 здоровых мышат. Часть из них родилась из изначально имеющихся эмбриональных стволовых клеток, а другая от перепрограммированных клеток кожи. Хаяси говорит, что некоторые из них затем родили второе поколение мышей. «Части этой работы были сделаны ранее – здесь их собрали воедино. То, что они смогли получить здоровое потомство — впечатляет» — отмечает Дитер Эгли, биолог из института Нью-Йоркского фонда стволовых клеток.

«Это действительно удивительно» — говорит Джейкоб Ханна, биолог стволовых клеток в институте им. Вейцмана в Реховоте, Израиль. «Возможность снова и снова воспроизводить надежные и функциональные ооциты мышей исключительно в пробирке и наблюдать за процессом — это самое захватывающее».

Ученые уверены в том, что процедура является надежной, хотя технически сложной. Опыт Хаяси повторили и другие группы исследователей в его лаборатории. Хотя биологам не нужно имплантировать ПЗК в живых мышей, они должны добавить клетки, взятые из яичников мышей, чтобы создать яичник, в котором можно выращивать яйцеклетку. Хаяси теперь пытается создать искусственный реагент, который мог бы заменить эти клетки. Яйцеклетка в пробирке – значительный шаг вперед после того, как ученые из Китая в феврале заявили о том, что сделали элементарную сперму в пробирке. В этом случае исследователи создали «сперматиды», которые не являются по-настоящему зрелыми клетками, хотя они утверждают, что их можно использовать для создания потомства.

Хаяси уверен, что результат проделанной работы поможет ему изучать развитие яйцеклетки, и теперь он может полностью выращивать их в пробирках. Однако он не пытается создать функционирующие яйцеклетки человека в лабораторных условиях. Японское законодательство запрещает оплодотворение сконструированных зародышевых клеток человека даже в исключительно исследовательских целях. Но ученый подозревает, что будут пытаться другие.

«Я не думаю, что это окажется намного более сложным» — отмечает Ханна, который сам надеется создать человеческие яйцеклетки.

Ханна возглавлял команду, которая сообщила о первых искусственных человеческих ПЗК в 2014 году, всего через два года после публикации работы Хаяси с мышами. По этическим причинам, он не имплантировал их в организм человека, чтобы попытаться вывести из них сперматозоиды или яйцеклетки. Но перспективы развивать человеческие ПЗК в пробирке выглядят заманчиво. Лаборатория Ханна уже проводит эксперименты, описанные в новой статье Хаяси. Одна из главных проблем – это получение необходимых поддерживания клеток яичников (или яичек для спермы). В настоящее время процесс работает только с эмбриональными клетками. Но он надеется, что клетки свиней или обезьян могут сработать.

Хаяси считает, что до создания «ооцитоподобных» человеческих клеток — 10 лет. Он сомневается, что они будут качественными настолько, что смогут лечить бесплодие. Он считает, что еще слишком рано использовать искусственные ооциты в медицине». Он также предупреждает, что искусственные яйцеклетки мышей часто низкого качества — из них могут получаться эмбрионы с генетическими аномалиями или потенциально нездоровое потомство. По итогам исследования только 3,5% ранних эмбрионов, созданных из искусственных яйцеклеток, привели к появлению потомства, по сравнению с 60% яйцеклеток, которые созрели в утробе мыши.