Половинка себя

Что мешает нам размножаться партеногенезом и можем ли мы это обойти

Полина Лосева, N+1

У ящериц Ростомбекова с Южного Кавказа нет самцов. Яйца они откладывают в одиночку. Такой способ размножения — партеногенез — практикуют немало рептилий, разные беспозвоночные, отдельные виды рыб и амфибий, а в исключительных обстоятельствах даже некоторые птицы. Люди, как и прочие млекопитающие, так себя не ведут — если не считать мифических персонажей вроде античной богини Геры, которая родила Гефеста «не познавши любовных объятий». Мы тоже научились размножаться необычными способами, например, заводить детей «в пробирке» и даже зачинать их «от трех родителей». А может родитель быть один?

6 ноября 1955 года британский таблоид Sunday Pictorial опубликовал необычное объявление: разыскивались женщины, убежденные в том, что зачали своих детей без участия мужчин. Никакого вознаграждения «непорочным матерям» не полагалось — только удовлетворение личного любопытства и участие в научном эксперименте. А сама идея эксперимента возникла незадолго до того у генетика Хелен Спервей (Helen Spurway): она заявила, что люди теоретически могут размножаться партеногенезом — и предложила способ это проверить.

Возможных механизмов непорочного зачатия ученые придумали два. Либо это аналог клонирования, при котором зародыш отпочковывается от материнской клетки и получается полной генетической копией матери. Либо это самооплодотворение, то есть яйцеклетка сливается с другой половой клеткой или просто в одиночку удваивает свой набор хромосом. В любом из вариантов ребенку достаются только гены матери — хотя, возможно, и не все. Поэтому заявки Sunday Pictorial принимал только от пар «мама-дочка», причем желательно очень похожих друг на друга. После тщательного отсева таких заявок осталось 19.

На первом же этапе лондонские врачи, к которым обратились сотрудники газеты, отсеяли 11 пар. В них, как быстро выяснилось, матери не очень хорошо представляли себе, что означает «без участия мужчин» (многие думали, что это означает беременность без нарушения целостности девственной плевы). За оставшихся взялись ученые — нужно было доказать, что девочки не носят в своих клетках никаких «чужих» генов.

Секвенировать тогда еще не умели, поэтому врачам пришлось довольствоваться известными на тот момент признаками родства — и проверять, что девочки не унаследовали ничего такого, чего не было бы у их матерей. После того, как у всех участниц определили основные группы крови (AB0 и резус-фактор), потенциально партеногенетических пар осталось четыре. После теста на менее известные антигены на поверхности эритроцитов — всего две. Еще одна пара не выдержала проверки на цвет глаз: у матери они были голубыми, а у дочери — темно-карими (обычно ген темного цвета глаз доминирует над светлым, поэтому если бы у матери был соответствующий ген, он бы проявился и сделал глаза темнее). Осталась только Эммимари Джонс, которая утверждала, что зачала, когда лечилась в больнице от ревматизма, где за ней ухаживали только женщины.

Результаты теста на 9 дополнительных антигенов (групп крови) для четырех кандидаток в «непорочно зачавшие» матери и их дочерей. Пары, обозначенные как Гамма и Дельта, тест не прошли. У Беты был шанс (поскольку на наличие антигена Leb может влиять группа крови АВ0), но их исключили из-за не совпадающего цвета глаз. Под вопросом осталась только пара Альфа. S. Balfour-Lynn / The Lancet, 1956

Эммимари и ее дочь Монику испытали еще несколькими способами. Например, врачи измерили концентрацию антигенов группы крови в их слюне (не у всех людей они выделяются в физиологические жидкости, это свойство доминантное). А еще предложили им попробовать фенилтиомочевину — поскольку способность чувствовать ее горький вкус всегда наследуется и хорошо проявляется. Но по всем пунктам мать и дочь полностью совпали.

Наконец, исследователи решили проверить их на тканевую совместимость и пересадили по участку кожи от Эммимари Монике и наоборот. Если бы дочь несла чьи-то чужие гены, то материнский организм быстро начал бы отторгать ее кожу. В результате эксперимента, правда, лоскуты не прижились ни на матери, ни на дочке: от Эммимари он отвалился через месяц, а тот, что у Моники, лишился своих сосудов за шесть недель — и его удалили.

На этом экспериментальные идеи у врачей иссякли, и они заключили: опровергнуть гипотезу о партеногенетическом происхождении Моники они не могут.

Почему так нельзя

Сегодня, конечно, решить эту проблему было бы сильно проще, вот только никаких образцов с тех пор не сохранилось. Да и ученые перестали искать примеры «непорочного зачатия» среди людей, оставив надежду что-то найти. Все потому, что других партеногенетических млекопитающих до сих пор никто не встречал — ни в лаборатории, ни тем более в дикой природе. Так что если бы Моника Джонс действительно оказалась партеногенотой, это стало бы сенсацией, причем не только в медицине, но и в зоологии.

Размножаться в одиночку млекопитающим не дают несколько барьеров. Первый из них — это незрелость яйцеклетки. Бóльшую часть своей жизни — а это десятки лет, с момента появления в организме эмбриона и до созревания в яичнике взрослой женщины, — она проводит недоделившейся. В ней два набора хромосом, которые готовы разойтись — но не расходятся, поэтому и полноценной половой клеткой (у нее набор хромосом должен быть один) ее считать в строгом смысле еще нельзя. Даже когда яйцеклетка отправляется из яичника в матку, она все еще находится в таком замороженном состоянии — пока не встретит того, кто может вывести ее из многолетнего забытья.

Судьба яйцеклетки. Верхний ряд — созревание в яичнике, первое деление: отделяется первое полярное тельце, остается двойной набор хромосом, клетка готовится ко второму делению и замирает. Нижний ряд — после оплодотворения: отделяется второе полярное тельце, остается одинарный набор хромосом плюс добавляются хромосомы сперматозоида. Jurrien Dean / New England Journal of Medicine, 2016

Для того, чтобы «включить» яйцеклетку, нужно наполнить ее цитоплазму кальцием, это запустит деление. Кальций хранится внутри ее органелл, но «кингстоны» открываются только по команде — ее и подает сперматозоид. Сливаясь с яйцеклеткой, он запускает сигнальный каскад, который сначала помогает ей дозреть — то есть отпочковать второе полярное тельце. А потом уже оба набора — прибывший в сперматозоиде мужской и принимающий его женский — начинают готовиться к первому делению в жизни нового организма.

Чтобы взять ситуацию в свои руки, не дожидаясь команды сперматозоида, яйцеклетке пришлось бы научиться генерировать нужный сигнал самостоятельно. Большинство яйцеклеток позвоночных этого не умеют — и, например, некоторым рыбам, которые встали на путь партеногенеза, приходится принимать команду от сперматозоида другого вида. Икринка впускает в себя чуждый сперматозоид, а потом выбрасывает наружу его хромосомы и дальше делится сама (это называют гиногенезом). Так делает и сперма самцов некоторых рыб, которые освоили однополое размножение — она оплодотворяет яйцеклетку и выталкивает наружу ее ядро (а это уже андрогенез).

Млекопитающие за подобным замечены никогда не были. Но время от времени их яйцеклетки начинают размножаться без команды сперматозоида и не там, где это положено, в маточных трубах, — а, например, прямо в яичнике. Так у женщин может появиться опухоль, состоящая из разных типов эмбриональных тканей — тератома. В ней могут быть мышцы, жир, кости, нервы и даже зубы с волосами. Иногда тератома приобретает черты настоящего человеческого зародыша: с зачатками головы, хвоста, конечностей и половых органов.

Андрогенез у людей, кстати, тоже встречается. Это происходит, если до или после оплодотворения собственное ядро яйцеклетки разрушается. Тогда в ее опустевшей оболочке остается только оплодотворивший ее сперматозоид (а то и несколько) и подменяет своими генами материнские. Получившаяся клетка начинает дробиться, но ручек и ножек у нее не вырастает — образуется просто клеточная масса, которая активно делится и может заполнить всю матку. Это называют пузырным заносом.

Как яйцеклеткам удается дозреть самостоятельно и что для них становится толчком вместо сперматозоида, до сих пор непонятно. Но этот эффект несложно воспроизвести в лаборатории — достаточно обработать яйцеклетки кальцием. После такого яйцеклетка или не завершает свое деление и остается с двойным набором хромосом, или завершает, но взамен выкинутых хромосом делает копию с тех, что остались в одиночестве. А потом начинает дробиться, как если бы она была по-настоящему оплодотворена, — по крайней мере, из нее получаются вполне обычные клеточные шарики-бластоцисты.

Может ли в результате такой операции родиться здоровый ребенок, и не произошло ли что-то подобное с Эммимари Джонс — неизвестно. Подсаживать такие бластоцисты в организм матери запрещено, нельзя и выращивать их в лаборатории дольше определенного срока.

Но эксперименты на мышах показывают, что искусственные партеногенетические бластоцисты не жизнеспособны. Не могут стать человеком и тератомы — даже если они отдаленно похожи на него по очертаниям, у них все равно не бывает настоящей плаценты, и выносить их нельзя, нужно сразу удалять. Партеногенотам мешает выжить — по крайней мере, у млекопитающих — другой барьер: отец участвует в генетическом воспитании детей, а не просто «будит» яйцеклетку.

Родительский контроль

Изредка случается так, что новорожденному ребенку не достается отцовского кусочка 15-й хромосомы: приходится пользоваться или усеченной отцовской, или двумя материнскими. И хотя на материнской хромосоме в том же самом месте находятся те же самые гены, они ведут себя не так, как отцовские (экспрессируются, хотя не должны, или наоборот) — и потому не в силах компенсировать потерю. Детям, с которыми такое приключилось, обычно диагностируют синдром Прадера-Вилли — они, как правило, низкие, страдают ожирением и другими эндокринологическими нарушениями, часто испытывают приступы гнева, немного отстают в развитии от сверстников и почти все бесплодны.

Те, кому не хватило маминого участка 15-й хромосомы (и достались, соответственно, копии от отца), страдают не меньше, но по-другому. У них развивается синдром Ангельмана: дети гиперактивны и часто смеются, но страдают судорогами и проблемами с координацией (поэтому его раньше называли «синдромом счастливой куклы») — и обычно еще сильнее отстают в развитии, чем люди с синдромом Прадера-Вилли.

Гены, которые работают по-разному в зависимости от своего происхождения, называют импринтированными, а сам феномен — геномным импринтингом.

Зачем это надо?

Зачем млекопитающим понадобилось так регулировать работу генов, можно только предполагать. Чаще всего биологи связывают это с появлением плаценты — которая заставила самок млекопитающих вкладывать в вынашивание детенышей еще больше ресурсов. Это привело к конфликту полов: самцы стали заинтересованы в том, чтобы их ребенок «выжал» из матери максимум — поскольку следующее потомство у нее может быть от кого-нибудь другого, с кем ресурсами делиться ни к чему. Самки, напротив, заинтересованы в том, чтобы сэкономить силы для следующей партии детей. В итоге сложилась такая система, которая позволяет поддерживать баланс сил.

Например: зародыш наследует от отца рабочий ген IGF2 — это фактор роста, который производит плацента, чтобы расширяться и обрастать сосудами. Материнский ген IGF2 при этом молчит, зато работает ген IGFR2 — это рецептор, который захватывает и уничтожает излишки фактора роста. Два этих гена компенсируют друг друга, но как только одна сторона пересиливает другую, равновесие теряется. Мыши с одними только материнскими генами не могут вырастить нормальную плаценту. Мыши без материнских генов отращивают огромную плаценту — но не могут сформировать полноценный эмбрион.

(А): эксперименты с переносом ядер. Яйцеклетки, в которые перенесли два женских или два мужских ядра, не дают жизнеспособных зародышей. (С): эксперименты с химерными зародышами. Если 60 процентов клеток в зародыше нормальные, а 40 процентов содержат только женские или только мужские ядра, то мыши выживают, но отличаются от обычных животных пропорциями. Valter Tucci et al. / Cell, 2019

У человека нашли уже больше 250 импринтированных генов. При синдромах Прадера-Вилли и Ангельмана ребенку не хватает буквально нескольких — и их отсутствие так или иначе сказывается на разных системах органов. Несложно представить себе, что будет, если оставить ребенку только отцовские или материнские гены (даже если брать их у двух разных отцов или матерей) — ему будет не хватать десятков сразу. Вряд ли такие дети выживут — как, собственно, и не выживают партеногенетические мыши в лаборатории.

Дочь матерей, дитя отцов

Но коль скоро список импринтированных генов приблизительно понятен, можно попробовать выбрать из них несколько ключевых — и попробовать «подкрутить» их работу, чтобы все-таки получить млекопитающих партеногенот. Когда ученые взялись пробовать это на мышах, оказалось, что достаточно отрегулировать всего два гена: Igf2 и H19. Правда, сделать это было непросто. Исследователи взяли у новорожденных мышат незрелые ооциты (будущие яйцеклетки) — на этой стадии характерные метки на материнских генах еще не расставлены. В геном мышей внесли мутацию, которая подавила экспрессию H19 и не помешала работать Igf2. Эти ооциты заставили слиться с яйцеклетками обычной мыши и запустили в них деление. Из пары десятков мышат от двух мам до появления на свет дожили двое, одна из них даже стала матерью.

Мышь Кагуйя (Kaguya): дочь двух матерей, она выросла и сама стала матерью. Tomohiro Kono et al. / Nature, 2004

С мышатами от двух отцов пришлось повозиться дольше. От одной мыши взяли сперматозоиды. От другой взяли эмбриональные стволовые клетки и заставили их потерять половину хромосом, чтобы остаться с одиночным набором. Геном этих клеток выключили в семи местах, чтобы они не повлияли на экспрессию импринтированных генов. После этого ученые взяли у третьей мыши, уже самки, яйцеклетку, удалили оттуда ядро, ввели два отцовских ядра: одно из сперматозоида, второе из измененной стволовой клетки. Все эти манипуляции позволили получить живых мышат от двух отцов — правда, прожили они всего два дня.

Это не назовешь партеногенезом в чистом виде — все-таки в них участвовали две особи, хоть и одного пола. Но даже по их потомству видно, что дело это непростое и рискованное. А заодно можно заметить, что без отца обойтись все же проще, чем без матери. Двум отцам, кроме редактуры генома, понадобилась еще и чужая яйцеклетка — так что здесь пока речь идет скорее об очередном «ребенке от трех родителей», хотя они участвуют в появлении ребенка в другой пропорции, чем в случае с митохондриальным донорством.

Почти Гефесты

В 2017 году двое бразильских ученых пообещали, что скоро мы узнаем наверняка, встречается ли у людей партеногенез. Полногеномное секвенирование, объясняли они, становится все более распространенным (а недавно власти Великобритании собрались читать геном каждого третьего новорожденного в поисках редких мутаций и заболеваний). И если уж мы беремся секвенировать геномы, то, сравнивая их, будет несложно поймать партеногеноту — как это удавалось нам с другими животными.

А после экспериментов с мышами от двух матерей, продолжали они, уже несложно представить, какой набор мутаций и поломок мог бы позволить человеку перепрыгнуть через партеногенетические барьеры.

Понадобится мутация, которая нарушает механизм импринтинга в яйцеклетках. Или хотя бы та пара мутаций (или ее аналоги), что помогла создать мышей от двух матерей.

Нужно как-то остановить деление предшественника яйцеклетки, то есть не дать ему избавиться от одного из наборов хромосом. Правда, у млекопитающих еще не встречались мутации, которые приводили бы к такому результату, — их находили пока только у растений.

Нужно как-то активировать такую яйцеклетку, то есть запустить ее деление и собственно партеногенез. У мышей это достигается мутацией в гене c-mos — и хотя у людей она к такому эффекту не приводит, можно предположить, что существуют какие-то ее аналоги.

Последние два барьера, впрочем, преодолевают тератомы. И хотя сами по себе они не могут стать ребенком, отдельные партеногенетические клетки в человеческом теле отлично выживают.

Три преграды, которые отделяют человека от размножения партеногенезом — геномный импринтинг, необходимость поддерживать двойной набор хромосом, активация яйцеклеток — и мутации, которые могли бы помочь их преодолеть. Gabriel Jose de Carlia et al. / Medical Hypotheses, 2017

Первого полупартеногенетического мальчика врачи описали в 1995 году. Родители привели его на осмотр из-за асимметричного лица: левая половина выглядела вполне здоровой, а правая выделялась непропорциональными чертами. Пересчитав хромосомы в клетках крови пациента, генетики с удивлением заметили там две Х-хромосомы вместо положенных Х и Y. Вся кровь мальчика оказалась «женской» — в то время как в пробе кожи с его щиколотки по меньшей мере 95 процентов клеток были, как положено, «мужскими».

Врачи не стали высчитывать соотношение двух типов клеток в остальных частях его тела. Не смогли они и выяснить точно, что произошло в начале его развития. Но предположили, что яйцеклетка поторопилась с первыми делениями: отделила второе полярное тельце, удвоила хромосомы и успела один раз подробиться, прежде чем до одной из них добрался сперматозоид с геномом отца внутри. В результате часть клеток мальчика оказалась стандартной, а часть — «безотцовщиной» с двойным набором материнских хромосом.

Cнизу: мальчик, частичная партеногенота. Сверху: предположительная схема его происхождения. Яйцеклетка активировалась сама, отделила второе полярное тельце (верхний ряд), разделилась на две клетки (снизу справа) и только в одной из них оказались хромосомы сперматозоида. Lisa Strain et al. / Nature Genetics, 1995

Потом врачи находили и других пациентов, которые, предположительно, могли быть частичными партеногенотами. Например, детей, у которых часть клеток XX, а другая — XY, но при этом в каждой есть отцовские хромосомы. Ученые полагают, что это получилось из-за того, что партеногенетическую яйцеклетку, которая активировалась сама собой, во время или после первого деления оплодотворили два разных сперматозоида (хотя другие ученые считают, что такое невозможно, и речь на самом деле идет о том, что яйцеклетка поделилась нестандартным образом). Находят и детей, у которых часть клеток несет только отцовские хромосомы — здесь, видимо, хромосомы в сперматозоиде поспешили с удвоением, и после первого деления в одной из получившихся клеток оказались только папины гены.

Судьбе этих людей едва ли стоит завидовать. Некоторые из них рождаются гермафродитами, другие отстают в развитии, третьи страдают опухолями. Впрочем, мы ровно так и узнаём об их необычном сочетании хромосомных наборов — когда родители обращаются к врачам, чтобы посоветоваться по поводу симптомов. Так что сложно сказать наверняка: действительно ли партеногеноты не могут быть полностью здоровы или мы просто мало кого секвенировали.

Делиться будем?

Размножать людей партеногенезом международные стандарты пока что не разрешают. Правда, они быстро меняются — например, выращивать искусственно созданные эмбрионы дольше 14 дней недавно ученые сочли потенциально приемлемым. Но пока есть все основания считать, что даже если кому-то удастся преодолеть все преграды на пути к партеногенезу — и законодательные, и биологические — едва ли результат будет очень жизнеспособным.

Большинство животных не просто так стараются избегать партеногенеза: второй пол помогает перемешивать гены в популяции. Поэтому позвоночные полностью отказываются от самцов только в крайних случаях — например, если вид образовался при гибридизации двух других, и получившиеся самки уже технически не могут ни с кем скрещиваться. Некоторые могут использовать партеногенез как подстраховку на крайний случай. Такой факультативный партеногенез раньше обнаруживали, например, у домашних птиц, а недавно его заметили у калифорнийских кондоров, которым пришлось размножаться в неволе в рамках орнитологической программы. Ученые подозревают, что «альтернативное» размножение включается у птиц в неблагоприятных условиях — если вокруг нет подходящего самца, самке приходится справляться в одиночку.

Но злоупотреблять этим опасно: в отсутствие самцов самкам приходится без конца передавать по наследству один и тот же набор хромосом — и изобретать какие-то альтернативные методы создать разнообразие (как, например, делают беспозвоночные коловратки, заимствуя гены у других организмов). К тому же, если самка делит свой набор хромосом пополам, а оставшуюся половину удваивает, то ее потомки с неизбежностью будут гомозиготами, причем по всем генам одновременно. И все те проблемы, которые при близкородственных скрещиваниях «вылезают» через несколько поколений, здесь могут проявиться сразу в первом. Возможно, именно поэтому многие партеногенетические зародыши у птиц не жизнеспособны. Калифорнийские кондоры, появившиеся из неоплодотворенных яиц, тоже не отличались хорошим здоровьем — хотя внешне выглядели совершенно обычно — и умерли относительно рано, не оставив потомства. И даже Гефест, партеногенетический сын Геры, согласно Гомеру, родился хромым и больным, за что мать и сбросила его с Олимпа.

Так что для людей партеногенез едва ли выглядит привлекательной перспективой. Да и провернуть его можно не больше одного раза подряд: если первому поколению потомков достанется двойной набор одинаковых генов, то второе поколение получится точно таким же — то есть результат будет аналогичен клонированию. Клонировать людей международные стандарты пока запрещают. Но судя по экспериментам на животных, мы к этому гораздо ближе, чем к партеногенезу. Поэтому людям будущего, которые захотят создать ребенка в гордом одиночестве, ученые скорее посоветуют воспроизвести себя полностью, а не наполовину. Да и вариантов клонирования мы постепенно придумываем все больше.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru