Гаметогенез in vitro и репродуктивная синтетическая биология

Гаметогенез in vitro берёт соматическую клетку, перепрограммирует её до плюрипотентности и затем ведёт по маршруту зародышевой линии: сначала кратковременное мезодермоподобное состояние, затем первичные половые клетки, индуцируемые в основном сигналингом семейства BMP, затем долгое созревание внутри реконструированного гонадного окружения. У мыши этот маршрут пройден целиком: культивируемые клетки дали функциональные ооциты и сперматозоиды, от которых получено фертильное потомство, а женская ветвь была воспроизведена полностью в чашке. Мышиный результат и делает направление правдоподобным; расстояние между мышью и человеком делает его трудным.

Эпигенетическая перезагрузка

Зародышевая линия — единственная, которая стирает и заново пишет метильные метки генома целиком. После спецификации первичные половые клетки проходят тотальное деметилирование ДНК до нескольких процентов метилирования по CpG, что снимает родительские геномные импринты, а у женских клеток реактивирует замолчавшую Х-хромосому. Затем, уже в ходе собственно гаметогенеза, метки расставляются заново по половому типу: материнские — при росте ооцита, отцовские — в просперматогониях.

Здесь и лежит настоящая трудность. Ошибка импринтинга — не дефект роста, заметный в культуре, а немое повреждение, последствия которого проявляются в развивающемся эмбрионе; заболевания, вызванные сбоем импринтинга в конкретных локусах, хорошо описаны. Неразрушающего теста на эпигеном той единственной клетки, которую предполагается использовать, не существует. Любая характеризация гамету убивает, поэтому о качестве судят по её «сёстрам» из той же партии. Полная проверка продукта — только потомство.

Почему человек — не медленная мышь

Спецификация половых клеток у человека идёт по иной транскрипционной схеме, чем у мыши: через SOX17 и PRDM1, а не через мышиную программу с участием SOX2. Поэтому протоколы индукции нельзя было просто перенести, их пересобирали. Второй разрыв — время: у человека половые клетки развиваются месяцами там, где у мыши уходят дни, и культуру приходится удерживать в этом масштабе. Человеческие клетки, подобные первичным половым, индуцируются надёжно и при длительном совместном культивировании с соматическими клетками гонады доходят до состояния оогониев, пройдя значительную часть деметилирования. А дальше останавливаются.

Останавливаются они перед мейозом — третьим барьером и задачей иного рода. Мейоз начинается с намеренных двунитевых разрывов, которые вносит SPO11 и которые должны быть репарированы рекомбинацией между правильно спаренными гомологами, удерживаемыми синаптонемным комплексом. Контрольные точки устраняют клетки с нерепарированными разрывами или несинаптированными хромосомами. Эти механизмы защитные — благодаря им гаметы не анеуплоидны сплошь, — а в культуре работают как фильтр, который проходят единицы. Цель не в том, чтобы протолкнуть клетки через мейоз, а в том, чтобы провести их с корректным расхождением и рекомбинацией; вход, форсированный в обход контрольных точек, даёт ровно ту анеуплоидию, ради предотвращения которой они существуют.

Где предел не технический

Даже полноценная человеческая гамета упрётся в регуляторную границу, не зависящую от её качества. Наследуемое изменение зародышевой линии человека запрещено или неразрешимо во многих юрисдикциях, а исследования на эмбрионах ограничены по срокам — например, законодательным правилом четырнадцати дней в Великобритании. Клинически более близкие работы используют ту же биологию соматического окружения, чтобы дозревать ооциты, а не создавать их: это реальное приложение и совсем другое утверждение.