Оптимальный протокол для предотвращения передачи заболеваний через перенос материнской митохондриальной ДНК

Многие заболевания человека возникают из-за дефектов митохондриальной ДНК (мтДНК), которая отличается от ядерной ДНК и наследуется только от предков по материнской линии. Профилактика этих заболеваний с помощью митохондриальной заместительной терапии (МР) несет в себе риск увеличения мутаций мтДНК, что впоследствии может привести к митохондриальному генетическому дрейфу.

Недавнее исследование, опубликованное в ПЛОС Биология Обсуждается новый метод снижения риска мутаций мтДНК при одновременном повышении выживаемости и развития плода.

Стади: Значительное снижение переноса материнских митохондрий за счет сложной транслокации веретенообразных хромосом.. Изображение предоставлено: nobeastsofierce / Shutterstock.com

введение

Внутри митохондрий субстраты подвергаются окислительному фосфорилированию с образованием аденозинтрифосфата (АТФ). Митохондрии содержат свою ДНК в форме кольцевой двухцепочечной хромосомы.

Хотя митохондриальная ДНК очень коротка и содержит всего 37 генов, мутации могут возникать в результате наследственности или генетического дрейфа во время эмбрионального развития. Здоровье плода тогда зависит от уровня гетерологичной репликации мтДНК.

На высоких уровнях мутированная мтДНК может преобладать и способствовать развитию таких клинических симптомов, как слепота, глухота, диабет, печеночная недостаточность или мышечная слабость. Эти симптомы могут появиться в любом возрасте.

Это побудило исследователей определить методы, которые могут предотвратить эти заболевания, предотвращая их передачу с помощью таких методов, как МРТ. МРТ предполагает замену митохондрий гамет, участвующих в зачатии, или эмбриона, образовавшегося в результате зачатия, с помощью переноса веретена или других методов.

Что такое СККТ?

Одним из стандартных методов МРТ является транслокация веретенообразного хромосомного комплекса (SCCT). Здесь исследователи манипулируют формированием веретена во время метафазы II (MII) клеточного деления, когда хромосомы отделяются от полюсов клетки и прикрепляются к волокнам веретена. Материнские и отцовские хромосомы расходятся к противоположным полюсам клетки.

При SCCT веретено, к которому прикреплены хромосомы материнского происхождения, удаляется из неоплодотворенной яйцеклетки, которая представляет собой ДНК материнского происхождения. Затем эти хромосомы путем осторожных манипуляций передаются в яйцеклетку-реципиент от женщины-донора, из которой из пустой яйцеклетки было извлечено ядро.

Затем происходит оплодотворение новой или реконструированной яйцеклетки. Сообщалось об успешном оплодотворении и развитии ооцитов макак-резус, после чего были проведены аналогичные эксперименты на ооцитах человека. Анализ бластоцист и линий эмбриональных клеток (ЭСК) на этих моделях животных показал, что уровни мтДНК были неопределяемыми.

Первое рождение человека после беременности с использованием SCCT произошло в Мексике в 2017 году, у трех отцов.

Даже при использовании SCCT в нескольких экспериментах сообщалось о митохондриальном генетическом дрейфе. Это может быть связано с тем, что веретенообразный хромосомный комплекс (SCC) содержит небольшое количество цитоплазмы, содержащей некоторое количество митохондрий, что приводит к переносу гетерологичной или мутантной мтДНК в яйцеклетку-реципиент. Это подвергает яйца, сконструированные таким образом, риску генетического дрейфа. Таким образом, человек, зачатый из этих яйцеклеток, подвергается большему риску развития последующего митохондриального заболевания.

Ограничения этих методов побудили исследователей в текущем исследовании изучить новый метод микроманипуляции при плоскоклеточном раке. Целью этого исследования было снизить риск переноса митохондриальной ДНК, тем самым предотвращая генетические риски и клинические митохондриальные заболевания. Новый метод, который они предлагают в данной статье, называется максимальным удалением остатков (MRR).

Что такое МРР?

SCC удаляли из ооцитов человека и мыши с помощью микропипетки. Цитоплазма, окружающая SCC, была впоследствии удалена методом «откидывания» в запатентованной смеси. Отдельные стволовые клетки оценивали, чтобы убедиться в достижении MRR и сохранении числа копий мтДНК и вариации числа копий гена (CNV).

Далее мышиные ооциты были реконструированы с использованием мтДНК из разных клеток. Развитие ооцитов исследовали после оплодотворения путем интрацитоплазматической инъекции сперматозоидов (ИКСИ) на стадии бластоцисты. Также определяли уровень изменчивости ДНК и число копий хромосом.

SCCT слишком рано активировал реконструированный ооцит и, как следствие, вызывал его вступление в мейоз и приводил к аномальному преждевременному оплодотворению. Чтобы решить эту проблему, сначала была проведена ИКСИ, а затем МРР.

Этот новый подход увеличил успешное оплодотворение, сократил время и количество яиц, которыми пришлось бы пожертвовать. SCC также остался морфологически неповрежденным после этих процедур, а анализ CNV показал нормальное количество хромосомных копий.

Этот новый подход к удалению митохондрий при MRR не повлияет на целостность веретена и хромосом и может быть легко реализован при ядерной транслокации.«.

Процедура SCC-MRR не препятствовала нормальному оплодотворению и последующему эмбриональному развитию.

Оплодотворенные яйцеклетки имплантировались в яйцеводы, в результате чего примерно в 30% случаев рождалось здоровое потомство. Это очень похоже на эффективность традиционного переноса эмбрионов SCC. Гетерогенность мтДНК составляла примерно 1,5% у потомков SCCT-MRR по сравнению с примерно 4,1% у плодов обычного SCC.

Это потомство достигло зрелого возраста и естественным образом спаривалось с самцами дикого типа. Потомство второго поколения также показало низкие остатки мтДНК — около 0,5%.

Линии ЭСК SCCT-MRR появлялись и вели себя как контрольные линии и стабильные линии ЭСК, тогда как обычные ЭСК SCCT-MRR демонстрировали повышенную гетерогенность мтДНК. Следовательно, этот метод не привел к генетическому дрейфу мтДНК.

MRR-SCCT может значительно снизить миграцию мтДНК донора веретена до самого низкого стационарного уровня в мЭСК.«.

Эти манипуляции также проводились на стадии MII ооцита, что привело к правильному развитию эмбрионов SCCT-MRR с минимальным переносом мтДНК. При использовании этого метода перенос мтДНК снизился до 0,04%, что является самым низким уровнем, когда-либо зарегистрированным в исследованиях SCCT на людях.

Высокая частота оплодотворения, доля эмбрионов, достигших стадии бластоцисты, и уровни плоидности были аналогичны необработанным человеческим ооцитам, полученным с помощью ИКСИ.

Каковы последствия?

Уровни мтДНК последовательно снижались до очень низких и стабильных уровней в нуклеопластах, реконструированных ооцитах и ​​производных бластоцистах после SCCT-MRR. Более того, уровни мтДНК составляли примерно одну шестую от уровня, полученного при обычном SCCT у мышей, и оставались стабильными в первом и втором поколениях потомства.

Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что увеличение остаточной мтДНК связано с повышенным риском генетического дрейфа. Этот подход также, по-видимому, не увеличивает риск дефектов веретена хромосом, вызванных манипуляциями.

Предыдущие исследования бесплодия у людей показали, что за снижением переноса мтДНК на стадии бластоцисты по-прежнему следует увеличение от 0,8% до 60% в различных тканях к моменту рождения. Этот дрейф ковариации наблюдался и в других экспериментах с ЭСК человека.

Поэтому мы считаем, что перед клиническим внедрением текущей стратегии MRR-SCCT потребуются дальнейшие исследования с участием ЭСК человека.«.