Ze swoimi dociekliwymi oczami, futrzanym pyskiem i bujną sierścią, mysz – o pseudonimie Xiao Zhu lub Mały Bambus – zręcznie przycupnęła na bambusowej łodydze, przybierając ładną pozę do aparatu. Ale ta mysz nie istnieje w naturze.
Wykonany w laboratorium w Pekinie Xiao Zhu przesuwa granice możliwości inżynierii genetycznej i biologii syntetycznej. Zamiast posiadać zwykłe 20 par chromosomów, mysz i jej rodzeństwo mają tylko 19 par. Dwa kawałki różnych chromosomów zostały sztucznie połączone w śmiałym eksperymencie, który zadał pytanie: czy zamiast modyfikować pojedyncze litery DNA lub wiele genów, możemy dostroić istniejący podręcznik genomiczny hurtowo, przerzucając w tym samym czasie ogromne bloki materiału genetycznego?
To pomysł na księżycowy strzał. Jeśli genom jest książką, edytowanie genów jest jak edytowanie kopii — zmiana literówki tu i tam lub naprawianie wielu błędów gramatycznych za pomocą starannie wprowadzonych poprawek.
Inżynieria na poziomie chromosomów to zupełnie inna bestia: to jak przestawianie wielu akapitów lub przesuwanie całych sekcji artykułu i jednoczesna nadzieja, że zmiany dodadzą możliwości, które można przekazać następnej generacji.
Przeprogramowanie życia nie jest łatwe. Skład DNA Xiao Zhu jest zbudowany z liter genetycznych, które zostały już zoptymalizowane przez eony ewolucyjnej presji. Nic dziwnego, że majstrowanie przy ugruntowanej księdze genomicznej często skutkuje życiem, które nie jest opłacalne. Do tej pory tylko drożdże przetrwały zmianę chromosomów.
Połączenia Nowe badania, opublikowane w nauka, umożliwiło tę technologię dla myszy. Zespół sztucznie połączył ze sobą fragmenty chromosomów myszy. Jedna połączona para złożona z chromosomów czwartego i piątego była w stanie utrzymać embriony, które rozwinęły się w zdrowe — choć nieco dziwnie zachowywane — myszy. Co ciekawe, nawet przy tym tektonicznym przejściu do normalnej genetyki, myszy mogły rozmnażać się i przekazywać swoje zmodyfikowane genetyczne dziwactwa drugiemu pokoleniu potomstwa.
„Po raz pierwszy na świecie osiągnęliśmy całkowite przegrupowanie chromosomów u ssaków, dokonując nowego przełomu w biologii syntetycznej” powiedziany autor badania dr Wei Li z Chińskiej Akademii Nauk.
W pewnym sensie technika ta naśladuje ewolucję z zawrotną prędkością. W oparciu o istniejące dane dotyczące częstości mutacji, wprowadzony tutaj rodzaj zamiany genetycznej zajęłby zwykle miliony lat, aby naturalnie osiągnąć.
Badanie nie jest idealne. Niektóre geny w zmodyfikowanych myszach zostały nienormalnie dostrojone, przypominając schemat zwykle obserwowany w schizofrenii i autyzmie. I chociaż myszy dorosły do dorosłości i mogły rozmnażać zdrowe szczenięta, wskaźnik urodzeń był znacznie niższy niż u ich nietechnicznych rówieśników.
Mimo to studium jest tour de force, powiedziany biolog ewolucyjny dr Harmit Malik z Fred Hutchinson Cancer Center w Seattle, który nie był zaangażowany w badania. Mamy teraz ten „piękny zestaw narzędzi” do rozwiązywania nierozstrzygniętych pytań dotyczących zmian genomowych na większą skalę, potencjalnie rzucających światło na choroby chromosomowe.
Czekaj, czym są znowu chromosomy?
Prace odnoszą się do długoletniego genetycznego podręcznika ewolucji tworzenia nowych gatunków.
Cofnijmy się. Nasze geny są zakodowane w łańcuchach podwójnej helisy DNA, które przypominają wstążki unoszące się wewnątrz komórki. Nie zajmuje miejsca. Rozwiązaniem natury jest owinięcie każdego łańcucha wokół szpuli białka, jak plasterki szynki nawiniętej na patyk mozzarelli. Dodatkowe skręty pakują te struktury w maleńkie krążki – obrazkowe koraliki na sznurku – które następnie zawijają się w chromosomy. Pod mikroskopem wyglądają głównie jak litera X.
Każdy gatunek ma określoną liczbę chromosomów. Komórki ludzkie — z wyjątkiem plemników i komórek jajowych — zawierają 46 pojedynczych chromosomów ułożonych w 23 pary, odziedziczonych po każdym z rodziców. Natomiast myszy laboratoryjne mają tylko 20 par. Kompletny zestaw chromosomów nazywa się kariotypem, wywodzącym się od greckiego słowa „jądro” lub „nasienie”.
Mieszanie i dopasowywanie chromosomów od dawna jest częścią ewolucji. Według aktualnych szacunków gryzoń na ogół gromadzi około 3.5 rearanżacji chromosomów co milion lat; niektóre segmenty są usuwane, inne duplikowane lub tasowane. W przypadku naczelnych tempo zmian jest o połowę mniejsze. Przesuwanie fragmentów chromosomów może wydawać się drastyczne dla każdego zwierzęcia, ale gdy są wykonalne, zmiany torują drogę do ewolucji zupełnie innych gatunków. Na przykład nasz chromosom drugi powstał z dwóch oddzielnych chromosomów, ale u goryla, naszego bliskiego ewolucyjnego kuzyna, modyfikacja ta nie występuje.
Nowe badanie miało na celu zrobienie czegoś lepszego niż ewolucja: za pomocą inżynierii genetycznej zapytano, czy możemy skondensować miliony lat ewolucji do zaledwie kilku miesięcy? Nie chodzi tylko o ciekawość naukową: choroby chromosomowe leżą u podstaw niektórych z naszych najtrudniejszych zagadek medycznych, takich jak białaczka dziecięca. Naukowcy wcześniej wywołali rearanżację chromosomów za pomocą promieniowania, ale wyniki nie były łatwe do kontrolowania, co uniemożliwiło zwierzętom narodziny nowego potomstwa. Tutaj biolodzy syntetyczni przyjęli bardziej ukierunkowane podejście.
Pierwszym krokiem jest ustalenie, dlaczego chromosomy są odporne na duże zmiany w ich organizacji. Jak się okazuje, główną przeszkodą w zamianie lub łączeniu fragmentów chromosomów jest biologiczne dziwactwo zwane imprintingiem.
Otrzymujemy chromosomy od obojga rodziców, a każdy zestaw zawiera podobne geny. Jednak tylko jeden zestaw jest włączony. Sposób, w jaki działa proces imprintingu, pozostaje tajemnicą, ale wiemy, że zmniejsza on zdolność komórek embrionów do rozwoju w wiele typów dojrzałych komórek i ogranicza ich potencjał do inżynierii genetycznej.
Powrót w 2018, ten sam zespół odkrył, że usunięcie trzech genów może zastąpić program biochemiczny imprintingu w komórkach macierzystych. Tutaj wykorzystali te „odblokowane” komórki macierzyste, aby genetycznie połączyć dwie pary chromosomów.
Najpierw skierowali swój wzrok na chromosomy jeden i dwa, największe w genomie myszy. Korzystając z CRISPR, zespół odciął chromosomy, umożliwiając im zamianę fragmentów genetycznych i ponowne uformowanie się w stabilne konstrukty genetyczne. Komórki, które nosiły zmianę chromosomową, zostały następnie wstrzyknięte do oocytów – komórek jajowych. Powstałe zarodki przeszczepiono zastępczym samicom myszy w celu dalszego dojrzewania.
Zamiana była śmiertelna. Sztuczny chromosom, z chromosomem drugim, a następnie chromosomem pierwszym, czyli 2+1, zabił rozwijający się płód zaledwie 12 dni po poczęciu. Te same dwa chromosomy połączone w przeciwnym kierunku, 1+2, miały więcej szczęścia, dając żywe szczenięta z zaledwie 19 parami chromosomów. Małe myszy były nienormalnie duże jak na swój rozmiar i w kilku testach wydawały się bardziej niespokojne niż ich normalni rówieśnicy.
Drugi eksperyment z fuzją chromosomów wypadł lepiej. Chromosomy 4 i 5 są znacznie mniejsze, a powstały zarodek – nazwany 4+5 – przekształcił się w zdrowe młode myszy. Chociaż brakowało im pary chromosomów, wydawały się zaskakująco normalne: nie były tak niespokojne, miały średnią masę ciała, a gdy dorosły, rodziły szczenięta, które również nie miały pary chromosomów.
Innymi słowy, zespół opracował nowy kariotyp u gatunku ssaka, który może być przekazywany z pokolenia na pokolenie.
Zupełnie nowy świat biologii syntetycznej?
Dla Malika liczy się tylko skala. Pokonując problem imprintingu, „świat jest ich ostrygą, jeśli chodzi o inżynierię genetyczną”, powiedziany do Naukowiec.
Kolejnym celem zespołu jest wykorzystanie technologii do rozwiązywania trudnych chorób chromosomowych zamiast projektowania zmutowanych gatunków. Sztuczna ewolucja jest tuż za rogiem. Ale badanie pokazuje zaskakującą zdolność adaptacji genomów ssaków.
„Jednym z celów biologii syntetycznej jest generowanie złożonego życia wielokomórkowego z zaprojektowanymi sekwencjami DNA” – napisali autorzy. „Możliwość manipulowania DNA na dużą skalę, w tym na poziomie chromosomów, jest ważnym krokiem w kierunku tego celu”.
Źródło obrazu: Chińska Akademia Nauk
