Om een zoogdier te maken, heb je een ei en een sperma nodig. Deze twee vereiste genetische inputs hebben in het verleden betekend dat er niet werd gelanceerd voor pogingen om nakomelingen van mannelijke-mannelijke of vrouwelijke-vrouwelijke koppelingen te produceren. Maar door de grenzen tussen eicellen en sperma te vervagen met genetische verandering, helpen wetenschappers ons nu om de regels van de reproductie van zoogdieren te overtreden.
Gisteren rapporteerde een team van onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen in het tijdschrift Cell Stem Cell de geboorte van gezonde nakomelingen aan muisouders van hetzelfde geslacht. Door de genomen van eieren aan te passen aan die van sperma, en vice versa, konden de wetenschappers een grote hindernis in de biologische voortplanting overwinnen. Pups van vrouwelijke-vrouwelijke vakbonden overleefden tot ver in de volwassenheid en werden zelfs moeder, en kortstondige baby's werden verwelkomd door een vader-vader-duo.
"Dit is ongelooflijk indrukwekkend, " zegt Ava Mainieri, een bioloog die de genetica van reproductie aan de Harvard University bestudeert. "Deze technologie heeft ongeveer een miljoen implicaties voor de toekomst."
De onderzoekers waren in staat om een langdurige uitdaging voor het produceren van zoogdieren met alleenstaande ouders te overwinnen. Gewoonlijk heeft een zoogdierembryo twee genomen nodig, die elk een manuscript van genetische instructies van de moeder of vader bevatten. Op deze manier erft de foetus twee kopieën van elk individueel gen. Maar voor veel genen zwijgt het exemplaar van moeder of vader. Hele regio's van het ene genoom kunnen worden afgesloten, terwijl dezelfde delen van de genetische code van de andere ouder intact blijven.
"Als nucleotiden van DNA een tekst zijn, kunnen [deze natuurlijke modificaties] worden beschouwd als spaties of interpunctie die betekenis geven aan dergelijke gecompliceerde tekst, " legt Mainieri uit, die niet bij het onderzoek was betrokken.
Een trotse mamamuis met haar nakomelingen. De moedermuis op deze foto werd geboren uit twee moeders en leefde wat wetenschappers als een normaal, gezond leven beschouwden. (Le-Yun Wang / Chinese Academie van Wetenschappen) De uitdaging is dat deze ruimtes en interpuncties in elk genoom correct moeten worden uitgelijnd - iets dat van nature gebeurt bij mannelijke en vrouwelijke ouders. Dit kieskeurige fenomeen wordt genomische inprenting genoemd en is van cruciaal belang voor de reproductie van zoogdieren. Als de kopieën van beide ouders van een van deze normaal "ingeprinte" genen per ongeluk worden ingeschakeld, kunnen de gevolgen rampzalig zijn, met foetussen die ballon groot worden, moeite hebben met het verkrijgen van voedingsstoffen of zelfs helemaal niet bereiken.
Voor wetenschappers die zoogdieren proberen te fokken met ouders van hetzelfde geslacht, vormt het noodzakelijke proces van genomische imprinting een belangrijke hindernis. Rond het midden van de 20e eeuw, toen wetenschappers enkele van de eerste pogingen deden om muizenembryo's met twee vrouwelijke genomen te produceren, duurde het niet lang voordat de wiskunde van het samenvoegen van eieren rommelig werd. Beide helften van de genetische instructies weerspiegelden het afdrukken van de moeder, het deactiveren en activeren van dezelfde regio's van het genoom - en zonder het vaderlijke deel van de vergelijking werden sommige genen tot overexpressie gebracht, terwijl andere nooit correct werden ingeschakeld.
Meer recent heeft een cohort van onderzoekers aan de Chinese Academie van Wetenschappen onder leiding van senior auteurs Wei Li, Qi Zhou en Bao-Yang Hu besloten om een nieuwe set hulpmiddelen te proberen om het probleem aan te pakken. Het maximaliseren van hun kansen op het produceren van gezonde nakomelingen van ouders van hetzelfde geslacht betekende het beginnen met de minst ingeprinte cellen mogelijk - cellen die nog geen interpunctie in de genetische code hadden. Dus produceerden de onderzoekers een ongebruikelijke set eieren en sperma door enkele van de ingeslagen tekens op het genoom te wissen, waardoor de klok in wezen op deze reproductieve cellen werd teruggedraaid totdat ze leken op de onbewerkte eerste versie van het genetische manuscript.
Gewapend met een arsenaal van 'schone' cellen, gingen de onderzoekers op zoek naar bimaternale muizen. Om mannelijkheid na te bootsen, voegden ze hun eigen versie van vaderlijke opdruk toe aan een schone eicel, waarbij ze drie bekende ingeprinte gebieden uit zijn genoom haalden. Deze techniek schrapte in wezen hele alinea's of hoofdstukken uit het genetische manuscript van het ei, waardoor het een reproductieve cel werd die meer als een sperma werkte. Ze injecteerden vervolgens de nieuw gemanipuleerde cel in een normaal ei van een andere vrouwelijke muis.
Tot hun verbazing werden 14 procent van deze bimaternale embryo's - in totaal 29 muizen - gezonde vrouwtjes geboren (zonder een Y-chromosoom in de reproductieve mix waren mannen een gegarandeerde non-entiteit). Verschillende van de bimaternale muizen zijn zelfs opgegroeid om hun eigen gezonde pups te baren (dit keer via een meer natuurlijke manier van bevruchting). Voor zover de onderzoekers konden zien, waren de vaderloze muizen fysiek en gedragsgezond - maar Zhou wijst erop dat er mogelijk tekortkomingen in deze muizen zijn die het team nog niet heeft ontdekt.
Een nog grotere uitdaging doemde voor de toekomst op - tweewaardige muizen. Een muisjongen met twee moeders was in 2004 voor het eerst gefokt (hoewel met veel lagere slagingspercentages dan het nieuwste bereikte werk). Vaderloze muizen waren in zekere zin oud nieuws. Moederloze muizen daarentegen zouden 'geweldig' zijn, zegt Hugo Creeth, wiens niet-gelieerde werk aan de Universiteit van Cardiff ook gericht is op genetische imprinting.
Een van de grootste uitdagingen van het bevallen van een muis met genetisch materiaal van twee mannen, volgens de ontwikkelingsbioloog van de Universiteit van Pennsylvania, Marisa Bartolomei, is dat er nog veel meer inprentingen moeten gebeuren op het genoom van mam om het goed te laten aansluiten bij dat van papa. Het extra werk dat nodig is om ervoor te zorgen dat een mannelijk genoom zich gedraagt als een vrouwelijk genoom, kan een deel zijn van de reden dat unisex-reproductie in de natuur neigt naar vrouwelijk-vrouwelijke koppelingen. (Hoewel sommige reptielen, amfibieën en vissen in staat zijn om alleen door vrouwen te paren, heeft slechts één soort - de zebravis - ooit nakomelingen voortgebracht zonder inbreng van de moeder, en alleen in een laboratorium).
"[Het lijkt erop dat] in vergelijking met bimaternale reproductie, meer obstakels moeten worden overschreden bij de bipaternale reproductiebarrière, " zegt Li.
Ondanks de uitdagingen waren de onderzoekers in staat om levende nakomelingen te genereren met alleen DNA van twee mannelijke ouders. Een gemodificeerde zaadcel had zes genetische gebieden verwijderd om het meer op een vrouwelijk genoom te doen lijken, en werd vervolgens gecombineerd met normaal sperma in een leeg vrouwelijk ei. (Leeg of niet, er is nog steeds een afgesloten ruimte nodig om sperma en sperma bij elkaar te brengen.) Deze vreemde hybride embryo's - letterlijke eischalen met dubbele doses vaderlijk DNA - werden vervolgens overgebracht naar een draagmoeder van een moeder.
Wetenschappers kunnen muizen fokken met twee vaders, maar ze worden geboren met ernstige afwijkingen en overleven niet tot volwassenheid. (Le-Yun Wang / Chinese Academie van Wetenschappen) Iets meer dan een procent van de nakomelingen overleefde. Helaas werden alle pups geboren met ernstige defecten en stierven bijna onmiddellijk. Toen de onderzoekers een zevende geprint gebied uit de bewerkte zaadcellen verwijderden, verdubbelden ze echter het overlevingspercentage. De pups groeiden nog steeds niet naar volwassenheid, maar toch had de methode gewerkt en de kortlevende levensvatbaarheid van de nakomelingen was monumentaal.
"Dit laat echt zien dat imprinting de blokkade is van uniparental ontwikkeling", zegt Bartolomei. "We hebben het vanuit het moederperspectief gekend, maar nu, met de bipaternals, is het een primeur."
Volgens Li is de volgende stap het verbeteren van de levensduur van bipaternale muizen. Het is nog steeds niet duidelijk wat de muizen doodt met twee genetische vaders - het is mogelijk dat er andere kritisch ingedrukte regio's zijn die nog genetisch moeten worden "beheerd", zegt Bartolomei.
Het is eigenlijk een beetje een wonder dat zo weinig genetische manipulaties voldoende waren om het genoom van het ene geslacht te transformeren in iets dat op het andere leek. Er zijn meer dan 150 genen waarvan wordt gedacht dat ze in muizen worden geprint - en de lijst groeit nog steeds - maar niet elk van die genen is van cruciaal belang voor levende nakomelingen van de geboorte.
Terwijl de nieuwe genetische modificatietechniek werkte om muizen van één geslacht te fokken, waarschuwt Mainieri dat het een "enorme, enorme stap" zou vereisen om deze experimenten bij andere zoogdieren, inclusief mensen, te herhalen. Hoewel Li, Zhou, Hu en hun collega's enthousiast zijn om op een dag door te gaan naar primaten, is er geen garantie dat de markups in het genetische manuscript van de ene soort zich gemakkelijk zullen vertalen naar de andere.
Toch betekenen deze nieuwe bevindingen een doorbraak in het begrip van wetenschappers van de rol van genomische imprinting bij de reproductie van zoogdieren. Bovendien zijn er verschillende aandoeningen die voortkomen uit onjuiste imprinting in het genoom - dus zelfs als moederloze of vaderloze baby's niet aan de horizon zijn, kan het eenvoudigweg begrijpen van deze genetische eigenaardigheden onze benadering van medicijnen veranderen.
"Met deze kennis hebben we de mogelijkheid om de zinnen of paragrafen [van genomische tekst] te lezen op een manier die we nooit eerder hebben gehad, " zegt Mainieri. "En dat is enorm."
