Объединение генетического материала родителей оказалось удивительно подверженным ошибкам
Только одна из трех беременностей завершается успешно. Многие эмбрионы останавливаются в развитии на ранних стадиях. Клеточные биологи из Института биофизической химии Общества Макса Планка (MPI) в Гёттингене (Германия) совместно с исследователями из Института генетики сельскохозяйственных животных в Мариензее и другими международными коллегами разработали новую модельную систему для изучения раннего эмбрионального развития. С её помощью они обнаружили, что ошибки часто возникают при объединении генетического материала от каждого из родителей сразу после оплодотворения. Причина — в удивительно неэффективном процессе.
Соматические клетки человека обычно содержат 46 хромосом, несущих генетическую информацию. Впервые они объединяются при оплодотворении: 23 от сперматозоида отца и 23 от яйцеклетки матери. После оплодотворения родительские хромосомы сначала находятся в двух отдельных компартментах — пронуклеусах. Эти пронуклеусы медленно сближаются. Затем их оболочки растворяются, и хромосомы родителей объединяются.
Однако большинство человеческих эмбрионов в итоге получают неверное число хромосом. Такие эмбрионы часто нежизнеспособны, что делает ошибки при объединении геномов ведущей причиной выкидышей и бесплодия.
«Около 10–20% эмбрионов с неверным числом хромосом получают его из-за того, что яйцеклетка уже содержала слишком мало или слишком много хромосом до оплодотворения. Это мы уже знали, — объясняет Мелина Шу, директор MPI. — Но как эта проблема возникает у гораздо большего числа эмбрионов? Время сразу после слияния сперматозоида и яйцеклетки — так называемая стадия зиготы — казалось крайне критической фазой. Мы хотели выяснить, почему».
Результаты новой модельной системы
Для исследований учёные проанализировали видеозаписи человеческих зигот, сделанные лабораторией в Англии. Они также нашли новый модельный организм для детального изучения раннего эмбрионального развития. «Вместе с партнёрами из Института генетики сельскохозяйственных животных мы разработали методы изучения живых эмбрионов коров, которые очень похожи на человеческие, — объясняет Томмазо Кавацца, учёный из отдела Шу. — Время первых клеточных делений сопоставимо. Частота неправильного распределения хромосом также примерно одинакова». Ещё одно преимущество системы: яйцеклетки для эмбрионов были получены из отходов скотобоен, поэтому не потребовалось жертвовать дополнительными животными.
Команда Шу оплодотворила яйцеклетки коров in vitro и с помощью микроскопии живых клеток отследила объединение родительского генетического материала. Они обнаружили, что родительские хромосомы собираются на границе раздела двух пронуклеусов. Однако в некоторых зиготах отдельные хромосомы не делали этого. В результате эти хромосомы «терялись» при объединении геномов, и в ядрах оказывалось слишком мало хромосом. Такие зиготы вскоре демонстрировали дефекты развития.
«Сборка хромосом на границе пронуклеусов, по-видимому, является крайне важным этапом, — объясняет Кавацца. — Если она не удаётся, зиготы часто совершают ошибки, несовместимые со здоровым развитием эмбриона».
Зависимость от неэффективного процесса
Почему же родительские хромосомы часто не собираются правильно? Исследователям также удалось это выяснить. «Компоненты цитоскелета и ядерной оболочки контролируют движение хромосом внутри пронуклеусов. Интересно, что эти же элементы направляют и сближение двух пронуклеусов. Таким образом, мы имеем дело с двумя тесно связанными процессами, которые необходимы, но часто идут не так. Следовательно, то, будет ли эмбрион развиваться здоровым, зависит от удивительно неэффективного процесса», — сообщает Кавацца.
Результаты учёных также актуальны для экстракорпорального оплодотворения (ЭКО) у людей. Уже некоторое время обсуждается, может ли скопление так называемых ядрышек на границе пронуклеусов в человеческих зиготах служить индикатором шанса на успешное оплодотворение. Зиготы, в которых эти компоненты пронуклеусов собираются на границе, имеют больше шансов на успешное развитие, и поэтому их можно отбирать для лечения бесплодия. «Наше наблюдение, что для гарантии здорового развития хромосомы должны собираться на границе, поддерживает этот критерий отбора», — говорит Шу.