Слияние хромосом повлияло на размеры, плодовитость и поведение мышей

До настоящего момента генная инженерия на уровне хромосом была возможна только для клеток дрожжей, содержащих гаплоидный набор хромосом. В случае более сложно устроенных организмов, таких как млекопитающие, для манипуляций с ДНК могли бы послужить гаплоидные стволовые клетки неоплодотворенных эмбрионов, которые получены для мышей, крыс и приматов. Однако в них утрачен геномный импритинг — механизм, определяющий активность генов, что ограничивает возможности редактирования.

В своей предыдущей работе ученые из Китайской академии наук преодолели эту трудность, удалив в гаплоидных эмбриональных стволовых клетках (ГЭСК) мышей три импринтированных участка – H19, IG, Rasgrf1. Это позволило установить в клетках стабильный паттерн импринтинга, схожий с таковым у сперматозоидов.

В новой работе ученые добились слияния целых хромосом в клетках мышей и получили животных с 19 парами хромосом — на одну пару меньше, чем характерно для вида. Исследователи объединили две хромосомы средних размеров — 4 и 5 — «головой к хвосту», то есть центромеру 5 хромосомы с теломерой 4 (Chr4+5), а также две самые крупные хромосомы — 1 и 2 — в двух ориентациях (Chr1+2 и Сhr2+1). В итоге получили линии ГЭСК с тремя кариотипами. Наряду с ними, в работе также использовали клетки дикого типа с набором в 20 пар хромосом.

Способность ГЭСК к дифференцировке не пострадала: авторы получили диплоидные нервные стволовые клетки с нормальной экспрессией генов из ГЭСК всех трех линий. Однако пролиферация стволовых клеток, в которых были слиты крупные хромосомы, претерпела изменения. Так, в клетках с кариотипом Chr1+2 и Сhr2+1 наблюдалось нарушение деления, повторное слияние дочерних клеток и, как следствие, увеличение набора хромосом (полиплоидизация). Устранить этот эффект удалось благодаря усечению плеч слитых хромосом путем транслокации с 17 хромосомой. По словам авторов работы, эти данные продемонстрировали роль физического пространства внутри ядра для эволюции кариотипа млекопитающих.

Затем ученые ввели ядра ГЭСК в яйцеклетки и получили эмбрионы с разными кариотипами, которые были перенесены в матки самок мышей. Все зародыши Сhr2+1 погибли на этапе эмбрионального развития. В то же время детеныши с обратным слиянием хромосом Chr1+2 родились и выросли более крупными и тревожными; также они двигались меньше и медленнее, чем потомство Chr4+5.

Сравнив транскриптомы мышат Chr1+2 и дикого типа, экспериментаторы обнаружили различия в экспрессии более 2 тысяч генов, из которых около 26% принадлежали хромосомам 1, 2 и 17. Ученые обратили особое внимание на ген Capn11, кодирующий кальций-зависимую протеазу. Его активность была снижена в клетках детенышей Chr1+2. Инактивация Capn11 у мышат дикого типа привела к набору массы и росту тревожности, что подтвердило ассоциацию этого гена с фенотипом грызунов Chr1+2.

Также изменение кариотипа отразилось на фертильности животных. Мыши со слитыми 4 и 5 хромосомами принесли потомство после спаривания с мышами дикого типа, но с меньшим числом детенышей в помете. Более низкая рождаемость объяснялась нарушением расхождения лигированных хромосом в ходе деления. Напротив, грызуны, у которых были объединены крупные хромосомы 1 и 2, не дали потомства. По мнению исследователей, это открытие показало важность хромосомных перестроек для репродуктивной изоляции и, следовательно, видообразования.

Таким образом, полученные результаты подтвердили возможность редактирования целых хромосом у млекопитающих, а также роль реорганизации хромосом в качестве движущей силы эволюции видов. Подобные мутации происходят нечасто, например, для грызунов — 3,2-3,5 случая на миллион лет, для приматов – 1,6. Однако они могут оказать серьезный эффект на становление видов.