Per fare un mammifero, hai bisogno di un uovo e uno sperma. Questi due input genetici richiesti hanno, storicamente, significato fallimento nel tentativo di produrre prole da accoppiamenti maschio-maschio o femmina-femmina. Ma sfocando i confini tra uovo e sperma con alterazioni genetiche, gli scienziati ci stanno aiutando a infrangere le regole della riproduzione dei mammiferi.
Ieri, nella rivista Cell Stem Cell, un team di ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze ha riferito la nascita di una progenie sana di genitori di topi dello stesso sesso. Modificando i genomi delle uova per assomigliare a quelli dello sperma e viceversa, gli scienziati sono stati in grado di superare un grosso ostacolo nella riproduzione biologica. I cuccioli delle unioni femmina-femmina sono sopravvissuti fino all'età adulta, diventando addirittura madri stesse, e i bambini di breve durata sono stati accolti da una coppia di papà-papà.
"Questo è incredibilmente impressionante", afferma Ava Mainieri, un biologo che studia la genetica della riproduzione all'Università di Harvard. "Questa tecnologia ha circa un milione di implicazioni per il futuro".
I ricercatori sono stati in grado di superare una sfida di vecchia data per la produzione di mammiferi con genitori single-sex. Tipicamente, un embrione di mammifero ha bisogno di due genomi, ciascuno contenente un manoscritto di istruzioni genetiche della madre o del padre. In questo modo, il feto eredita due copie di ogni singolo gene. Ma per molti geni, la copia di mamma o papà diventa silenziosa. Intere regioni di un genoma possono essere chiuse, mentre quelle stesse parti del codice genetico dell'altro genitore rimangono intatte.
"Se i nucleotidi del DNA sono un testo, [queste modifiche naturali] possono essere pensate come spazi o punteggiatura che danno significato a un testo così complicato", spiega Mainieri, che non è stato coinvolto nella ricerca.
Un'orgogliosa topina con la sua prole. Il topo madre in questa foto è nato da due madri e ha vissuto quella che gli scienziati consideravano una vita normale e sana. (Le-Yun Wang / Accademia delle scienze cinese) La sfida è che questi spazi e punteggiatura in ciascun genoma devono allinearsi correttamente, cosa che accade naturalmente con i genitori maschio-femmina. Questo fenomeno schizzinoso si chiama imprinting genomico ed è fondamentale per la riproduzione dei mammiferi. Se le copie di uno di questi due geni normalmente "impressi" da entrambi i genitori vengono accidentalmente attivate, le conseguenze possono essere disastrose, producendo feti che aumentano di dimensioni, lottano per acquisire sostanze nutritive o addirittura non riescono a raggiungere il termine.
Per gli scienziati che cercano di allevare mammiferi con genitori dello stesso sesso, il processo necessario di imprinting genomico rappresenta un grosso ostacolo. Intorno alla metà del 20 ° secolo, quando gli scienziati fecero alcuni dei primi tentativi di produrre embrioni di topo con due genomi femminili, non ci volle molto perché la matematica della fusione delle uova diventasse disordinata. Entrambe le metà delle istruzioni genetiche riflettevano l'imprinting materno, la disattivazione e l'attivazione delle stesse regioni del genoma - e senza la parte paterna dell'equazione, alcuni geni venivano sovraespressi, mentre altri non venivano mai correttamente attivati.
Più recentemente, una coorte di ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze guidata da autori senior Wei Li, Qi Zhou e Bao-Yang Hu ha deciso di provare una nuova serie di strumenti per affrontare il problema. Massimizzare le loro possibilità di produrre prole sana da genitori dello stesso sesso significava iniziare con le cellule meno impresse possibili, cellule che non avevano ancora punteggiatura nel codice genetico. Quindi i ricercatori hanno generato una serie insolita di uova e spermatozoi cancellando alcuni dei segni impressi sul genoma, essenzialmente riportando indietro l'orologio su queste cellule riproduttive fino a quando non assomigliavano alla prima bozza inedita del manoscritto genetico.
Armati di un arsenale di cellule "pulite", i ricercatori hanno deciso di allevare topi bimaterni. Per imitare la virilità, hanno aggiunto la loro versione dell'imprinting paterno a una cellula uovo pulita, estraendo dal suo genoma tre regioni impresse conosciute. Questa tecnica ha essenzialmente eliminato interi paragrafi o capitoli dal manoscritto genetico dell'uovo, trasformandolo in una cellula riproduttiva che ha funzionato più come uno sperma. Hanno quindi iniettato la cellula appena manipolata in un uovo normale da un'altra femmina di topo.
Con loro grande sorpresa, il 14 percento di questi embrioni bimaterni - 29 topi in totale - sono nati femmine sane (senza un cromosoma Y nel mix riproduttivo, i maschi erano una non identità garantita). Molti dei topi bimaterni sono persino cresciuti per dare alla luce i propri cuccioli sani (questa volta attraverso un modo più naturale di concepire). Secondo i ricercatori, i topi senza padre erano fisicamente e comportamentalmente sani, ma Zhou sottolinea che potrebbero esserci carenze in questi topi che il team non ha ancora scoperto.
Una sfida ancora più grande si profilò davanti: topi bipaterni. Un cucciolo di topo con due madri era stato allevato per la prima volta nel 2004 (sebbene con percentuali di successo molto più basse rispetto al lavoro più recente realizzato). I topi senza padre erano, in un certo senso, vecchie notizie. I topi senza madre, d'altra parte, sarebbero "sorprendenti", afferma Hugo Creeth, il cui lavoro non affiliato all'Università di Cardiff si concentra anche sull'impronta genetica.
Una delle maggiori sfide della nascita di un topo con materiale genetico da due maschi, secondo la biologa dello sviluppo dell'Università della Pennsylvania Marisa Bartolomei, è che ci sono molte più impronte che devono accadere sul genoma della mamma perché si unisca correttamente a quello del papà. Il lavoro extra richiesto per far comportare un genoma maschile come un genoma femminile può essere parte del motivo per cui la riproduzione unisex nelle inclinazioni della natura verso accoppiamenti femmina-femmina. (Mentre alcuni rettili, anfibi e pesci sono in grado di accoppiarsi solo con femmine, solo una specie - il pesce zebra - ha mai prodotto prole senza input materno e solo in un laboratorio).
"[Sembra che] rispetto alla riproduzione bimaterna, più ostacoli devono essere attraversati alla barriera della riproduzione bipaterna", afferma Li.
Nonostante le sfide, i ricercatori sono stati in grado di generare prole dal vivo utilizzando solo DNA di due genitori maschi. A una cellula spermatica modificata sono state rimosse sei regioni genetiche per assomigliare più da vicino a un genoma femminile, quindi è stato combinato con lo sperma normale all'interno di un uovo femminile vuoto. (Vuoto o no, è ancora necessario un recinto per le uova per riunire lo sperma e lo sperma.) Questi strani embrioni ibridi - gusci letterali di uova contenenti doppie dosi di DNA paterno - sono stati quindi trasferiti in una madre surrogata di topo.
Gli scienziati possono allevare topi con due padri, ma sono nati con gravi difetti e non sopravvivono fino all'età adulta. (Le-Yun Wang / Accademia delle scienze cinese) Poco più dell'uno percento della prole è sopravvissuto. Purtroppo, tutti i cuccioli sono nati con gravi difetti e sono morti quasi immediatamente. Quando i ricercatori hanno rimosso una settima regione impressa dalle cellule spermatiche modificate, hanno raddoppiato il tasso di sopravvivenza. I cuccioli non erano ancora cresciuti fino all'età adulta, ma anche così, il metodo aveva funzionato e la vitalità di breve durata della prole era monumentale.
"Questo dimostra davvero che l'imprinting è il blocco dello sviluppo uniparentale", afferma Bartolomei. "Lo abbiamo conosciuto dal punto di vista materno, ma ora, con i bipaternali, è il primo."
Secondo Li, il prossimo passo è migliorare la longevità per i topi bipaterni. Non è ancora chiaro cosa stia uccidendo i topi con due padri genetici: è possibile che ci siano altre regioni criticamente impresse che devono ancora essere "gestite geneticamente", dice Bartolomei.
In effetti, è un po 'una meraviglia che siano bastate così poche manipolazioni genetiche per trasformare il genoma di un sesso in qualcosa che assomiglia all'altro. Ci sono oltre 150 geni che si pensa siano impressi nei topi - e l'elenco è in continua crescita - ma non tutti i geni sono fondamentali per la nascita di una prole.
Mentre la nuova tecnica di modificazione genetica ha funzionato per allevare topi single-sex, Mainieri avverte che richiederebbe un "enorme, enorme passo" per ripetere questi esperimenti in altri mammiferi, inclusi gli umani. Sebbene Li, Zhou, Hu e i loro colleghi siano ansiosi di passare un giorno ai primati, non vi è alcuna garanzia che i markup nel manoscritto genetico di una specie si traducano facilmente in quelli di un'altra.
Tuttavia, queste nuove scoperte significano una svolta nella comprensione degli scienziati del ruolo dell'imprinting genomico nella riproduzione dei mammiferi. Inoltre, ci sono diversi disturbi che derivano da un'imprinting impropria nel genoma, quindi anche se i bambini senza madre o senza padre non sono all'orizzonte, la semplice comprensione di queste stranezze genetiche potrebbe cambiare il nostro approccio alla medicina.
"Con questa conoscenza, abbiamo la capacità di leggere le frasi o i paragrafi [del testo genomico] in un modo che non abbiamo mai avuto prima", dice Mainieri. "Ed è enorme."
