И вот, 25 февраля 2016 года публикация в журнале Cell развеяла эти сомнения. Китайским исследователям удалось получить из эмбриональных стволовых клеток сперматозоиды, подходящие для экстракорпорального оплодотворения. В эксперименте использование этих клеток для зачатия привело к появлению здорового потомства, способного к размножению. До этого вырастить функциональные половые клетки вне организма никому не удавалось.

Немного школьной программы

У любого многоклеточного животного, размножающегося половым путем, есть два принципиально разных типа клеток: половые клетки, или гаметы, и все остальные клетки организма, или соматические клетки.

Соматические клетки содержат парный (диплоидный) набор хромосом — по половине от каждого из родителей (например, у человека 46 хромосом: 23 от матери и 23 — от отца). Эти клетки размножаются делением, которое называется митозом. Он происходит относительно просто: ДНК клетки удваивается, формируется два парных набора хромосом, затем эти наборы расходятся к разным полюсам клетки, после чего в ней образуется перетяжка, делящая ее пополам. В итоге получаются две одинаковые клетки, аналогичные материнской.

С половыми клетками все сложнее — их предшественницы, первичные половые клетки, или гоноциты, имеют парный набор хромосом, а в итоге из них должны получиться яйцеклетки и сперматозоиды с одинарным (гаплоидным) хромосомным набором. Поэтому процесс их деления (гаметогенез, который в случае сперматозоидов называется сперматогенезом) проходит несколько промежуточных стадий.

У позвоночных гоноциты формируются из универсальных стволовых клеток в желточном мешке эмбриона примерно с шестой недели его развития. По мере образования тканей и органов эти клетки мигрируют в половые железы (гонады), то есть в мужском организме — в яички. Там они формируют популяцию клеток, называемых сперматогониями. В начале полового созревания эти клетки начинают активно размножаться митозом.

При этом часть клеток дифференцируется в так называемые сперматоциты первого порядка, которые также обладают двойным набором хромосом. Эти клетки, в отличие от сперматогониев, делятся мейозом, при котором удвоения ДНК не происходит. В результате первого деления мейоза образуются сперматоциты второго порядка, несущие одинарный набор хромосом. Затем они проходят второе деление мейоза, аналогичное митозу, давая на выходе сперматиды с гаплоидным набором хромосом. Эти клетки затем дифференцируются в зрелые сперматозоиды.

На каждой стадии этого процесса клеткам необходимы определенная среда, окружающие клетки и сигнальные факторы, направляющие их деление и развитие. Яички, имеющие сложную микроскопическую структуру, обеспечивают нужные условия, но воспроизвести эти условия в лаборатории — задача практически непосильная, особенно на последних этапах сперматогенеза.

Ближе всего к ее решению удавалось подойти сотрудникам Киотского университета в Японии. В 2011 году они смогли направить дифференцировку мышиных эмбриональных стволовых клеток в гоноцитоподобные клетки (ГПК), но для последующих стадий сперматогенеза их пришлось подсадить в яички взрослых мышей — добиться мейоза «в пробирке» у них не получилось.

«Хорошая штука»

Ученые из Китайской академии наук и их коллеги из Нанкина, Чанша, Хэфэя и Янчжоу использовали в своем исследовании наработки японских коллег. При помощи «коктейля» из цитокинов, аналогичных сигнальным молекулам ранних экстраэмбриональных тканей, они дифференцировали мышиные эмбриональные стволовые клетки в эпибластоподобные клетки (напоминающие желточный мешок) и далее в ГПК.

Чтобы создать им условия, близкие к внутренней среде половых желез, ГПК смешали в питательной среде с равным количеством эпителиальных клеток, полученных из яичек новорожденных мышей. После этого в среду добавляли различные сочетания морфогенов — веществ, направляющих дифференцировку клеток в нужном направлении и формирование из них органов и тканей. Как отметил один из исследователей Сяоян Чжао (Xiao-Yang Zhao), для получения нужной комбинации пришлось проделать сотни экспериментов. В результате сочетание морфогенов KSR, BMP-2/4/7, активина А и ретиноевой кислоты запустило процесс мейоза сперматоцитов.

Однако, запустив мейоз, необходимо регулировать его течение. Для этого на седьмой день из питательной среды убрали морфогены и добавили гормональную смесь: фолликулостимулирующий гормон, тестостерон и экстракт бычьего гипофиза. По поводу последнего эксперт-репродуктолог из Джексоновской лаборатории в Бар-Харборе (штат Мэн) Мэри Энн Хэндел (Mary Ann Handel) эмоционально заметила: «Бог знает, что в нем такого? Но, наверное, это хорошая штука».

Тем не менее, эта гормональная комбинация оказалась единственной, обеспечившей правильное течение всех ключевых стадий мейоза, что было подтверждено иммунохимическими, цитологическими, генетическими анализами, секвенированием и ПЦР. Результатом стало появление в культуре сперматидоподобных клеток с гаплоидным хромосомным набором — фактически, незрелых сперматозоидов без хвоста и с «лишними» органеллами.

Эти клетки использовали для оплодотворения путем стандартной процедуры интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ИКСИ), при которой мужские гаметы вводят в яйцеклетку стеклянной микроиглой. Это привело к развитию морфологически полноценных эмбрионов, которые перенесли в матку мыши для вынашивания. Родившиеся мыши ничем не отличались от животных, зачатых естественным путем, и произвели собственное потомство.

Далее читайте на Частном Корреспонденте.