Um ein Säugetier herzustellen, benötigen Sie ein Ei und ein Sperma. Diese beiden erforderlichen genetischen Inputs bedeuteten in der Vergangenheit, dass Versuche, Nachkommen aus männlich-männlich- oder weiblich-weiblich-Kopplungen zu gewinnen, fehlschlugen. Indem die Grenzen zwischen Ei und Sperma durch genetische Veränderungen verwischt werden, helfen uns Wissenschaftler jetzt, die Regeln der Säugetierreproduktion zu brechen.
Gestern berichtete ein Forscherteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in der Zeitschrift Cell Stem Cell gleichgeschlechtlichen Mauseltern über die Geburt gesunder Nachkommen. Indem sie das Genom von Eiern so modifizierten, dass es dem von Spermien ähnelt, und umgekehrt, konnten die Wissenschaftler eine große Hürde bei der biologischen Reproduktion überwinden. Welpen von Frauen-Frauen-Vereinigungen überlebten bis ins Erwachsenenalter und wurden sogar selbst Mütter, und kurzlebige Babys wurden von einem Vater-Vater-Duo begrüßt.
"Das ist unglaublich beeindruckend", sagt Ava Mainieri, ein Biologe, der die Genetik der Reproduktion an der Harvard University studiert. "Diese Technologie hat ungefähr eine Million Auswirkungen auf die Zukunft."
Den Forschern gelang es, eine langjährige Herausforderung bei der Produktion von Säugetieren mit gleichgeschlechtlichen Eltern zu meistern. Typischerweise benötigt ein Säugetierembryo zwei Genome, von denen jedes ein Manuskript genetischer Anweisungen der Mutter oder des Vaters enthält. Auf diese Weise erbt der Fötus zwei Kopien jedes einzelnen Gens. Aber für viele Gene verstummt entweder Mamas oder Papas Kopie. Ganze Regionen eines Genoms können abgeschaltet werden, während dieselben Teile des genetischen Codes des anderen Elternteils intakt bleiben.
"Wenn DNA-Nukleotide ein Text sind, können [diese natürlichen Modifikationen] als Leerzeichen oder Interpunktion betrachtet werden, die solch einem komplizierten Text Sinn verleihen", erklärt Mainieri, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Eine stolze Mama Maus mit ihren Nachkommen. Die Muttermaus auf diesem Foto wurde von zwei Müttern geboren und lebte so, wie Wissenschaftler es für ein normales, gesundes Leben hielten. (Le-Yun Wang / Chinesische Akademie der Wissenschaften) Die Herausforderung besteht darin, dass diese Leerzeichen und Interpunktionen in jedem Genom richtig ausgerichtet sein müssen - etwas, das natürlich bei männlich-weiblichen Eltern vorkommt. Dieses heikle Phänomen wird als genomisches Abdrucken bezeichnet und ist entscheidend für die Fortpflanzung von Säugetieren. Wenn versehentlich die Kopien beider Elternteile eines dieser normalerweise „eingeprägten“ Gene eingeschaltet werden, kann dies katastrophale Folgen haben, da Föten mit einer solchen Ballongröße entstehen, Schwierigkeiten haben, Nährstoffe zu gewinnen, oder die Laufzeit gar nicht erreichen.
Für Wissenschaftler, die versuchen, Säugetiere mit gleichgeschlechtlichen Eltern zu züchten, stellt der notwendige Prozess des genomischen Prägens eine große Hürde dar. Um die Mitte des 20. Jahrhunderts, als Wissenschaftler einige der ersten Versuche unternahmen, Mausembryonen mit zwei weiblichen Genomen herzustellen, dauerte es nicht lange, bis die Mathematik, Eier zu verschmelzen, unordentlich wurde. Beide Hälften der genetischen Anweisungen spiegelten das Prägen, Deaktivieren und Aktivieren derselben Regionen des Genoms durch die Mutter wider - und ohne den väterlichen Teil der Gleichung wurden einige Gene überexprimiert, während andere nie richtig eingeschaltet wurden.
In jüngerer Zeit entschied sich eine Kohorte von Forschern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, angeführt von den hochrangigen Autoren Wei Li, Qi Zhou und Bao-Yang Hu, neue Tools auszuprobieren, um das Problem anzugehen. Um ihre Chancen zu maximieren, gesunde Nachkommen von gleichgeschlechtlichen Eltern zu zeugen, mussten die am wenigsten geprägten Zellen verwendet werden - Zellen, die noch keine Interpunktion im genetischen Code aufwiesen. So erzeugten die Forscher einen ungewöhnlichen Satz von Eiern und Spermien, indem sie einige der aufgedruckten Markierungen auf dem Genom löschten und die Uhr auf diesen Fortpflanzungszellen zurückstellten, bis sie dem unbearbeiteten ersten Entwurf des genetischen Manuskripts ähnelten.
Ausgerüstet mit einem Arsenal „sauberer“ Zellen machten sich die Forscher daran, bimaternale Mäuse zu züchten. Um die Männlichkeit nachzuahmen, fügten sie einer sauberen Eizelle eine eigene Version des väterlichen Aufdrucks hinzu und schnitten drei bekannte aufgeprägte Regionen aus ihrem Genom. Diese Technik löschte im Wesentlichen ganze Absätze oder Kapitel aus dem genetischen Manuskript des Eies und verwandelte es in eine Fortpflanzungszelle, die eher wie ein Sperma wirkte. Anschließend injizierten sie die neu manipulierte Zelle einer anderen weiblichen Maus in ein normales Ei.
Zu ihrem Erstaunen wurden 14 Prozent dieser bimaternalen Embryonen - insgesamt 29 Mäuse - als gesunde Frauen geboren (ohne ein Y-Chromosom in der Fortpflanzungsmischung waren Männer eine garantierte Nichtigkeit). Einige der bimaternalen Mäuse sind sogar zur Geburt ihrer eigenen gesunden Welpen herangewachsen (diesmal durch ein natürlicheres Konzept). Nach Ansicht der Forscher waren die vaterlosen Mäuse körperlich und verhaltensmäßig gesund - aber Zhou weist darauf hin, dass es bei diesen Mäusen möglicherweise Mängel gibt, die das Team noch nicht entdeckt hat.
Eine noch größere Herausforderung stand bevor - bipaternale Mäuse. Ein Mäusewelpe mit zwei Müttern wurde 2004 zum ersten Mal gezüchtet (allerdings mit viel geringeren Erfolgsquoten als die neueste Arbeit). Mäuse ohne Vater waren in gewisser Weise alte Nachrichten. Mutterlose Mäuse hingegen wären „erstaunlich“, sagt Hugo Creeth, dessen unabhängige Arbeit an der Cardiff University sich ebenfalls auf genetische Prägungen konzentriert.
Laut Marisa Bartolomei, Entwicklungsbiologin der Universität von Pennsylvania, ist es eine der größten Herausforderungen, eine Maus mit genetischem Material von zwei Männern zu gebären, dass das Genom der Mutter viel stärker geprägt werden muss, damit es sich richtig mit dem des Vaters verbindet. Die zusätzliche Arbeit, die erforderlich ist, damit sich ein männliches Genom wie ein weibliches Genom verhält, kann ein Grund dafür sein, dass die Unisex-Reproduktion in der Natur zu weiblich-weiblichen Kopplungen tendiert. (Während einige Reptilien, Amphibien und Fische sich nur für Frauen paaren können, hat nur eine Art - der Zebrafisch - jemals Nachkommen ohne mütterlichen Input und nur in einem Labor hervorgebracht.)
"[Es scheint, dass] im Vergleich zur zweiseitigen Fortpflanzung mehr Hindernisse an der zweiseitigen Fortpflanzungsgrenze überwunden werden müssen", sagt Li.
Trotz der Herausforderungen war es den Forschern möglich, lebende Nachkommen nur mit DNA von zwei männlichen Eltern zu erzeugen. Bei einer modifizierten Samenzelle wurden sechs genetische Regionen entfernt, um sie einem weiblichen Genom ähnlicher zu machen, und sie wurde dann mit normalem Sperma in einer leeren weiblichen Eizelle kombiniert. (Leer oder nicht, es ist immer noch ein Eigegehäuse erforderlich, um Sperma und Sperma zusammenzubringen.) Diese seltsamen Hybridembryonen - buchstäbliche Eierschalen, die doppelte Dosen väterlicher DNA enthalten - wurden dann in eine Ersatzmausmutter überführt.
Wissenschaftler können Mäuse mit zwei Vätern züchten, aber sie werden mit schweren Fehlern geboren und überleben das Erwachsenenalter nicht. (Le-Yun Wang / Chinesische Akademie der Wissenschaften) Etwas mehr als ein Prozent der Nachkommen überlebten. Leider wurden alle Welpen mit schweren Fehlern geboren und starben fast sofort. Als die Forscher eine siebte eingeprägte Region aus den bearbeiteten Spermien entfernten, verdoppelten sie die Überlebensrate. Die Welpen wuchsen immer noch nicht bis zum Erwachsenenalter, aber trotzdem hatte die Methode funktioniert, und die kurzlebige Lebensfähigkeit der Nachkommen war monumental.
"Dies zeigt wirklich, dass das Drucken der Block für die uniparentale Entwicklung ist", sagt Bartolomei. "Wir haben es aus der mütterlichen Perspektive gewusst, aber jetzt, mit den Bipaternals, ist es eine Premiere."
Laut Li besteht der nächste Schritt in der Verbesserung der Langlebigkeit von bipaternalen Mäusen. Es ist immer noch nicht klar, was die Mäuse mit zwei genetischen Vätern tötet - es ist möglich, dass es andere kritisch geprägte Regionen gibt, die noch genetisch "verwaltet" werden müssen, sagt Bartolomei.
Tatsächlich ist es ein kleines Wunder, dass so wenige genetische Manipulationen ausreichten, um das Genom eines Geschlechts in etwas zu verwandeln, das dem anderen ähnelt. Es wird angenommen, dass über 150 Gene in Mäusen vorhanden sind - und die Liste wächst ständig -, aber nicht jedes einzelne dieser Gene ist für die Geburt lebender Nachkommen von entscheidender Bedeutung.
Während die neuartige Gentechnik zur Zucht gleichgeschlechtlicher Mäuse eingesetzt hat, warnt Mainieri, dass es eines „großen, großen Schritts“ bedarf, um diese Experimente an anderen Säugetieren, einschließlich Menschen, zu wiederholen. Obwohl Li, Zhou, Hu und ihre Kollegen eifrig darauf aus sind, eines Tages Primaten zu werden, gibt es keine Garantie dafür, dass die Markups im genetischen Manuskript einer Art leicht auf das einer anderen übertragen werden können.
Dennoch bedeuten diese neuen Erkenntnisse einen Durchbruch im Verständnis der Wissenschaftler für die Rolle des genomischen Abdrucks bei der Fortpflanzung von Säugetieren. Darüber hinaus gibt es mehrere Störungen, die auf unsachgemäße Abdrücke im Genom zurückzuführen sind. Selbst wenn mutterlose oder vaterlose Babys nicht in Sicht sind, kann das bloße Verstehen dieser genetischen Macken unseren Ansatz für die Medizin ändern.
„Mit diesem Wissen können wir die Sätze oder Absätze [von Genomtext] auf eine Weise lesen, wie wir sie noch nie zuvor hatten“, sagt Mainieri. "Und das ist riesig."
