Что мешает нам размножаться партеногенезом и можем ли мы это обойти

У ящериц Ростомбекова с Южного Кавказа нет самцов. Яйца они откладывают в одиночку. Такой способ размножения — партеногенез — практикуют немало рептилий, разные беспозвоночные, отдельные виды рыб и амфибий, а в исключительных обстоятельствах даже некоторые птицы. Люди, как и прочие млекопитающие, так себя не ведут — если не считать мифических персонажей вроде античной богини Геры, которая родила Гефеста «не познавши любовных объятий». Мы тоже научились размножаться необычными способами, например, заводить детей «в пробирке» и даже зачинать их «от трех родителей». А может родитель быть один?

6 ноября 1955 года британский таблоид Sunday Pictorial опубликовал необычное объявление: разыскивались женщины, убежденные в том, что зачали своих детей без участия мужчин. Никакого вознаграждения «непорочным матерям» не полагалось — только удовлетворение личного любопытства и участие в научном эксперименте. А сама идея эксперимента возникла незадолго до того у генетика Хелен Спервей (Helen Spurway): она заявила, что люди теоретически могут размножаться партеногенезом — и предложила способ это проверить.

Возможных механизмов непорочного зачатия ученые придумали два. Либо это аналог клонирования, при котором зародыш отпочковывается от материнской клетки и получается полной генетической копией матери. Либо это самооплодотворение, то есть яйцеклетка сливается с другой половой клеткой или просто в одиночку удваивает свой набор хромосом. В любом из вариантов ребенку достаются только гены матери — хотя, возможно, и не все. Поэтому заявки Sunday Pictorial принимал только от пар «мама-дочка», причем желательно очень похожих друг на друга. После тщательного отсева таких заявок осталось 19.

На первом же этапе лондонские врачи, к которым обратились сотрудники газеты, отсеяли 11 пар. В них, как быстро выяснилось, матери не очень хорошо представляли себе, что означает «без участия мужчин» (многие думали, что это означает беременность без нарушения целостности девственной плевы). За оставшихся взялись ученые — нужно было доказать, что девочки не носят в своих клетках никаких «чужих» генов.

Секвенировать тогда еще не умели, поэтому врачам пришлось довольствоваться известными на тот момент признаками родства — и проверять, что девочки не унаследовали ничего такого, чего не было бы у их матерей. После того, как у всех участниц определили основные группы крови (AB0 и резус-фактор), потенциально партеногенетических пар осталось четыре. После теста на менее известные антигены на поверхности эритроцитов — всего две. Еще одна пара не выдержала проверки на цвет глаз: у матери они были голубыми, а у дочери — темно-карими (обычно ген темного цвета глаз доминирует над светлым, поэтому если бы у матери был соответствующий ген, он бы проявился и сделал глаза темнее). Осталась только Эммимари Джонс, которая утверждала, что зачала, когда лечилась в больнице от ревматизма, где за ней ухаживали только женщины.

Результаты теста на 9 дополнительных антигенов (групп крови) для четырех кандидаток в «непорочно зачавшие» матери и их дочерей. Пары, обозначенные как Гамма и Дельта, тест не прошли. У Беты был шанс (поскольку на наличие антигена Leb может влиять группа крови АВ0), но их исключили из-за не совпадающего цвета глаз. Под вопросом осталась только пара Альфа

Эммимари и ее дочь Монику испытали еще несколькими способами. Например, врачи измерили концентрацию антигенов группы крови в их слюне (не у всех людей они выделяются в физиологические жидкости, это свойство доминантное). А еще предложили им попробовать фенилтиомочевину — поскольку способность чувствовать ее горький вкус всегда наследуется и хорошо проявляется. Но по всем пунктам мать и дочь полностью совпали.

Наконец, исследователи решили проверить их на тканевую совместимость и пересадили по участку кожи от Эммимари Монике и наоборот. Если бы дочь несла чьи-то чужие гены, то материнский организм быстро начал бы отторгать ее кожу. В результате эксперимента, правда, лоскуты не прижились ни на матери, ни на дочке: от Эммимари он отвалился через месяц, а тот, что у Моники, лишился своих сосудов за шесть недель — и его удалили.

На этом экспериментальные идеи у врачей иссякли, и они заключили: опровергнуть гипотезу о партеногенетическом происхождении Моники они не могут.

Почему так нельзя

Сегодня, конечно, решить эту проблему было бы сильно проще, вот только никаких образцов с тех пор не сохранилось. Да и ученые перестали искать примеры «непорочного зачатия» среди людей, оставив надежду что-то найти. Все потому, что других партеногенетических млекопитающих до сих пор никто не встречал — ни в лаборатории, ни тем более в дикой природе. Так что если бы Моника Джонс действительно оказалась партеногенотой, это стало бы сенсацией, причем не только в медицине, но и в зоологии.

Размножаться в одиночку млекопитающим не дают несколько барьеров. Первый из них — это незрелость яйцеклетки. Бóльшую часть своей жизни — а это десятки лет, с момента появления в организме эмбриона и до созревания в яичнике взрослой женщины, — она проводит недоделившейся. В ней два набора хромосом, которые готовы разойтись — но не расходятся, поэтому и полноценной половой клеткой (у нее набор хромосом должен быть один) ее считать в строгом смысле еще нельзя. Даже когда яйцеклетка отправляется из яичника в матку, она все еще находится в таком замороженном состоянии — пока не встретит того, кто может вывести ее из многолетнего забытья.

Судьба яйцеклетки. Верхний ряд — созревание в яичнике, первое деление: отделяется первое полярное тельце, остается двойной набор хромосом, клетка готовится ко второму делению и замирает. Нижний ряд — после оплодотворения: отделяется второе полярное тельце, остается одинарный набор хромосом плюс добавляются хромосомы сперматозоида

Для того, чтобы «включить» яйцеклетку, нужно наполнить ее цитоплазму кальцием, это запустит деление. Кальций хранится внутри ее органелл, но «кингстоны» открываются только по команде — ее и подает сперматозоид. Сливаясь с яйцеклеткой, он запускает сигнальный каскад, который сначала помогает ей дозреть — то есть отпочковать второе полярное тельце. А потом уже оба набора — прибывший в сперматозоиде мужской и принимающий его женский — начинают готовиться к первому делению в жизни нового организма.

Чтобы взять ситуацию в свои руки, не дожидаясь команды сперматозоида, яйцеклетке пришлось бы научиться генерировать нужный сигнал самостоятельно. Большинство яйцеклеток позвоночных этого не умеют — и, например, некоторым рыбам, которые встали на путь партеногенеза, приходится принимать команду от сперматозоида другого вида. Икринка впускает в себя чуждый сперматозоид, а потом выбрасывает наружу его хромосомы и дальше делится сама (это называют гиногенезом). Так делает и сперма самцов некоторых рыб, которые освоили однополое размножение — она оплодотворяет яйцеклетку и выталкивает наружу ее ядро (а это уже андрогенез).

Млекопитающие за подобным замечены никогда не были. Но время от времени их яйцеклетки начинают размножаться без команды сперматозоида и не там, где это положено, в маточных трубах, — а, например, прямо в яичнике. Так у женщин может появиться опухоль, состоящая из разных типов эмбриональных тканей — тератома. В ней могут быть мышцы, жир, кости, нервы и даже зубы с волосами. Иногда тератома приобретает черты настоящего человеческого зародыша: с зачатками головы, хвоста, конечностей и половых органов.

Андрогенез у людей, кстати, тоже встречается. Это происходит, если до или после оплодотворения собственное ядро яйцеклетки разрушается. Тогда в ее опустевшей оболочке остается только оплодотворивший ее сперматозоид (а то и несколько) и подменяет своими генами материнские. Получившаяся клетка начинает дробиться, но ручек и ножек у нее не вырастает — образуется просто клеточная масса, которая активно делится и может заполнить всю матку. Это называют пузырным заносом.

Как яйцеклеткам удается дозреть самостоятельно и что для них становится толчком вместо сперматозоида, до сих пор непонятно. Но этот эффект несложно воспроизвести в лаборатории — достаточно обработать яйцеклетки кальцием. После такого яйцеклетка или не завершает свое деление и остается с двойным набором хромосом, или завершает, но взамен выкинутых хромосом делает копию с тех, что остались в одиночестве. А потом начинает дробиться, как если бы она была по-настоящему оплодотворена, — по крайней мере, из нее получаются вполне обычные клеточные шарики-бластоцисты.

Может ли в результате такой операции родиться здоровый ребенок, и не произошло ли что-то подобное с Эммимари Джонс — неизвестно. Подсаживать такие бластоцисты в организм матери запрещено, нельзя и выращивать их в лаборатории дольше определенного срока (о том, откуда берутся эти запреты, наш материал «14 дней спустя»). Но эксперименты на мышах показывают, что искусственные партеногенетические бластоцисты не жизнеспособны. Не могут стать человеком и тератомы — даже если они отдаленно похожи на него по очертаниям, у них все равно не бывает настоящей плаценты, и выносить их нельзя, нужно сразу удалять. Партеногенотам мешает выжить — по крайней мере, у млекопитающих — другой барьер: отец участвует в генетическом воспитании детей, а не просто «будит» яйцеклетку.

Cперматозоиды проникают в яйцеклетку коровы (P. Hyttel et al. / Anatomy and Embryology, 1988)

Родительский контроль

Изредка случается так, что новорожденному ребенку не достается отцовского кусочка 15-й хромосомы: приходится пользоваться или усеченной отцовской, или двумя материнскими. И хотя на материнской хромосоме в том же самом месте находятся те же самые гены, они ведут себя не так, как отцовские (экспрессируются, хотя не должны, или наоборот) — и потому не в силах компенсировать потерю. Детям, с которыми такое приключилось, обычно диагностируют синдром Прадера-Вилли — они, как правило, низкие, страдают ожирением и другими эндокринологическими нарушениями, часто испытывают приступы гнева, немного отстают в развитии от сверстников и почти все бесплодны.

Те, кому не хватило маминого участка 15-й хромосомы (и достались, соответственно, копии от отца), страдают не меньше, но по-другому. У них развивается синдром Ангельмана: дети гиперактивны и часто смеются, но страдают судорогами и проблемами с координацией (поэтому его раньше называли «синдромом счастливой куклы») — и обычно еще сильнее отстают в развитии, чем люди с синдромом Прадера-Вилли.

Гены, которые работают по-разному в зависимости от своего происхождения, называют импринтированными, а сам феномен — геномным импринтингом.

Зачем это надо?

Зачем млекопитающим понадобилось так регулировать работу генов, можно только предполагать. Чаще всего биологи связывают это с появлением плаценты — которая заставила самок млекопитающих вкладывать в вынашивание детенышей еще больше ресурсов. Это привело к конфликту полов: самцы стали заинтересованы в том, чтобы их ребенок «выжал» из матери максимум — поскольку следующее потомство у нее может быть от кого-нибудь другого, с кем ресурсами делиться ни к чему. Самки, напротив, заинтересованы в том, чтобы сэкономить силы для следующей партии детей. В итоге сложилась такая система, которая позволяет поддерживать баланс сил.

Например: зародыш наследует от отца рабочий ген IGF2 — это фактор роста, который производит плацента, чтобы расширяться и обрастать сосудами. Материнский ген IGF2 при этом молчит, зато работает ген IGFR2 — это рецептор, который захватывает и уничтожает излишки фактора роста. Два этих гена компенсируют друг друга, но как только одна сторона пересиливает другую, равновесие теряется. Мыши с одними только материнскими генами не могут вырастить нормальную плаценту. Мыши без материнских генов отращивают огромную плаценту — но не могут сформировать полноценный эмбрион.

(А): эксперименты с переносом ядер. Яйцеклетки, в которые перенесли два женских или два мужских ядра, не дают жизнеспособных зародышей. (С): эксперименты с химерными зародышами. Если 60 процентов клеток в зародыше нормальные, а 40 процентов содержат только женские или только мужские ядра, то мыши выживают, но отличаются от обычных животных пропорциями   

У человека нашли уже больше 250 импринтированных генов. При синдромах Прадера-Вилли и Ангельмана ребенку не хватает буквально нескольких — и их отсутствие так или иначе сказывается на разных системах органов. Несложно представить себе, что будет, если оставить ребенку только отцовские или материнские гены (даже если брать их у двух разных отцов или матерей) — ему будет не хватать десятков сразу. Вряд ли такие дети выживут — как, собственно, и не выживают партеногенетические мыши в лаборатории.

Дочь матерей, дитя отцов

Но коль скоро список импринтированных генов приблизительно понятен, можно попробовать выбрать из них несколько ключевых — и попробовать «подкрутить» их работу, чтобы все-таки получить млекопитающих партеногенот. Когда ученые взялись пробовать это на мышах, оказалось, что достаточно отрегулировать всего два гена: Igf2 и H19. Правда, сделать это было непросто. Исследователи взяли у новорожденных мышат незрелые ооциты (будущие яйцеклетки) — на этой стадии характерные метки на материнских генах еще не расставлены. В геном мышей внесли мутацию, которая подавила экспрессию H19 и не помешала работать Igf2. Эти ооциты заставили слиться с яйцеклетками обычной мыши и запустили в них деление. Из пары десятков мышат от двух мам до появления на свет дожили двое, одна из них даже стала матерью.

Мышь Кагуйя (Kaguya): дочь двух матерей, она выросла и сама стала матерью

С мышатами от двух отцов пришлось повозиться дольше. От одной мыши взяли сперматозоиды. От другой взяли эмбриональные стволовые клетки и заставили их потерять половину хромосом, чтобы остаться с одиночным набором. Геном этих клеток выключили в семи местах, чтобы они не повлияли на экспрессию импринтированных генов. После этого ученые взяли у третьей мыши, уже самки, яйцеклетку, удалили оттуда ядро, ввели два отцовских ядра: одно из сперматозоида, второе из измененной стволовой клетки. Все эти манипуляции позволили получить живых мышат от двух отцов — правда, прожили они всего два дня.

Это не назовешь партеногенезом в чистом виде — все-таки в них участвовали две особи, хоть и одного пола. Но даже по их потомству видно, что дело это непростое и рискованное. А заодно можно заметить, что без отца обойтись все же проще, чем без матери. Двум отцам, кроме редактуры генома, понадобилась еще и чужая яйцеклетка — так что здесь пока речь идет скорее об очередном «ребенке от трех родителей», хотя они участвуют в появлении ребенка в другой пропорции, чем в случае с митохондриальным донорством (о том, как оно работает, мы рассказывали в тексте «Терапия зла»).

Почти Гефесты

В 2017 году двое бразильских ученых пообещали, что скоро мы узнаем наверняка, встречается ли у людей партеногенез. Полногеномное секвенирование, объясняли они, становится все более распространенным (а недавно власти Великобритании собрались читать геном каждого третьего новорожденного в поисках редких мутаций и заболеваний). И если уж мы беремся секвенировать геномы, то, сравнивая их, будет несложно поймать партеногеноту — как это удавалось нам с другими животными.

А после экспериментов с мышами от двух матерей, продолжали они, уже несложно представить, какой набор мутаций и поломок мог бы позволить человеку перепрыгнуть через партеногенетические барьеры.

• Понадобится мутация, которая нарушает механизм импринтинга в яйцеклетках. Или хотя бы та пара мутаций (или ее аналоги), что помогла создать мышей от двух матерей.
• Нужно как-то остановить деление предшественника яйцеклетки, то есть не дать ему избавиться от одного из наборов хромосом. Правда, у млекопитающих еще не встречались мутации, которые приводили бы к такому результату, — их находили пока только у растений.
• Нужно как-то активировать такую яйцеклетку, то есть запустить ее деление и собственно партеногенез. У мышей это достигается мутацией в гене c-mos — и хотя у людей она к такому эффекту не приводит, можно предположить, что существуют какие-то ее аналоги.

Последние два барьера, впрочем, преодолевают тератомы. И хотя сами по себе они не могут стать ребенком, отдельные партеногенетические клетки в человеческом теле отлично выживают.

Три преграды, которые отделяют человека от размножения партеногенезом — геномный импринтинг, необходимость поддерживать двойной набор хромосом, активация яйцеклеток — и мутации, которые могли бы помочь их преодолеть

Первого полупартеногенетического мальчика врачи описали в 1995 году. Родители привели его на осмотр из-за асимметричного лица: левая половина выглядела вполне здоровой, а правая выделялась непропорциональными чертами. Пересчитав хромосомы в клетках крови пациента, генетики с удивлением заметили там две Х-хромосомы вместо положенных Х и Y. Вся кровь мальчика оказалась «женской» — в то время как в пробе кожи с его щиколотки по меньшей мере 95 процентов клеток были, как положено, «мужскими» (подробнее о том, что пол не всегда однозначно определяется сочетанием хромосом, в материале «Легко ли стать мужчиной»).

Врачи не стали высчитывать соотношение двух типов клеток в остальных частях его тела. Не смогли они и выяснить точно, что произошло в начале его развития. Но предположили, что яйцеклетка поторопилась с первыми делениями: отделила второе полярное тельце, удвоила хромосомы и успела один раз подробиться, прежде чем до одной из них добрался сперматозоид с геномом отца внутри. В результате часть клеток мальчика оказалась стандартной, а часть — «безотцовщиной» с двойным набором материнских хромосом.

Cнизу: мальчик, частичная партеногенота. Сверху: предположительная схема его происхождения. Яйцеклетка активировалась сама, отделила второе полярное тельце (верхний ряд), разделилась на две клетки (снизу справа) и только в одной из них оказались хромосомы сперматозоида

Потом врачи находили и других пациентов, которые, предположительно, могли быть частичными партеногенотами. Например, детей, у которых часть клеток XX, а другая — XY, но при этом в каждой есть отцовские хромосомы. Ученые полагают, что это получилось из-за того, что партеногенетическую яйцеклетку, которая активировалась сама собой, во время или после первого деления оплодотворили два разных сперматозоида (хотя другие ученые считают, что такое невозможно, и речь на самом деле идет о том, что яйцеклетка поделилась нестандартным образом). Находят и детей, у которых часть клеток несет только отцовские хромосомы — здесь, видимо, хромосомы в сперматозоиде поспешили с удвоением, и после первого деления в одной из получившихся клеток оказались только папины гены.
Судьбе этих людей едва ли стоит завидовать. Некоторые из них рождаются гермафродитами, другие отстают в развитии, третьи страдают опухолями. Впрочем, мы ровно так и узнаём об их необычном сочетании хромосомных наборов — когда родители обращаются к врачам, чтобы посоветоваться по поводу симптомов. Так что сложно сказать наверняка: действительно ли партеногеноты не могут быть полностью здоровы или мы просто мало кого секвенировали.

Делиться будем?

Размножать людей партеногенезом международные стандарты пока что не разрешают. Правда, они быстро меняются — например, выращивать искусственно созданные эмбрионы дольше 14 дней недавно ученые сочли потенциально приемлемым. Но пока есть все основания считать, что даже если кому-то удастся преодолеть все преграды на пути к партеногенезу — и законодательные, и биологические — едва ли результат будет очень жизнеспособным.

Большинство животных не просто так стараются избегать партеногенеза: второй пол помогает перемешивать гены в популяции. Поэтому позвоночные полностью отказываются от самцов только в крайних случаях — например, если вид образовался при гибридизации двух других, и получившиеся самки уже технически не могут ни с кем скрещиваться. Некоторые могут использовать партеногенез как подстраховку на крайний случай. Такой факультативный партеногенез раньше обнаруживали, например, у домашних птиц, а недавно его заметили у калифорнийских кондоров, которым пришлось размножаться в неволе в рамках орнитологической программы. Ученые подозревают, что «альтернативное» размножение включается у птиц в неблагоприятных условиях — если вокруг нет подходящего самца, самке приходится справляться в одиночку.

Но злоупотреблять этим опасно: в отсутствие самцов самкам приходится без конца передавать по наследству один и тот же набор хромосом — и изобретать какие-то альтернативные методы создать разнообразие (как, например, делают беспозвоночные коловратки, заимствуя гены у других организмов). К тому же, если самка делит свой набор хромосом пополам, а оставшуюся половину удваивает, то ее потомки с неизбежностью будут гомозиготами, причем по всем генам одновременно. И все те проблемы, которые при близкородственных скрещиваниях «вылезают» через несколько поколений, здесь могут проявиться сразу в первом. Возможно, именно поэтому многие партеногенетические зародыши у птиц не жизнеспособны. Калифорнийские кондоры, появившиеся из неоплодотворенных яиц, тоже не отличались хорошим здоровьем — хотя внешне выглядели совершенно обычно — и умерли относительно рано, не оставив потомства. И даже Гефест, партеногенетический сын Геры, согласно Гомеру, родился хромым и больным, за что мать и сбросила его с Олимпа.

Так что для людей партеногенез едва ли выглядит привлекательной перспективой. Да и провернуть его можно не больше одного раза подряд: если первому поколению потомков достанется двойной набор одинаковых генов, то второе поколение получится точно таким же — то есть результат будет аналогичен клонированию. Клонировать людей международные стандарты пока запрещают. Но судя по экспериментам на животных, мы к этому гораздо ближе, чем к партеногенезу. Поэтому людям будущего, которые захотят создать ребенка в гордом одиночестве, ученые скорее посоветуют воспроизвести себя полностью, а не наполовину. Да и вариантов клонирования мы постепенно придумываем все больше.

Источник:  https://nplus1.ru/