И получение химерных животных

Одним из перспективных направлений микроманипуляций на ранних эмбрионах является искусственное получение химер, или генетических мозаиков.

Понятие химера (греч.Chimaira) означает составное животное. Сущность биотехнологического метода получения химер заключается в искусственном объединении с помощью микрохирургических манипуляций эмбриональных клеток двух (и более) животных, относящихся к разным породам и даже видам. Таким образом, животные – химеры несут в одном организме признаки обоих эмбрионов, отличающихся между собой разными генотипами (рис. 9.10).

Принято считать, что успешная пересадка эмбрионов может быть осуществлена только между самками одного вида. Пересадка эмбрионов, например, от овец к козам и наоборот, сопровождается их приживляемостью, но не завершается рождением потомства. Во всех случаях межвидовых беременностей непосредственной причиной абортов является нарушение функции плаценты по причине иммунологической реакции материнского организма на инородные антигены плода. Эта несовместимость может быть преодолена получением химерных эмбрионов с помощью микрохирургии, с применением следующих методов:

Рис. 9.10. Получение химер (генетических мозаиков)

Первый метод по получению химер основан на объединении бластомеров из эмбрионов одного вида. С этой целью получали сложные химерные эмбрионы овец объединением 2-, 4-, 8-клеточных эмбрионов. Каждый сложный объединённый эмбрион состоял из равного числа бластомеров эмбрионов 2-8 родителей. Пересадку внутренней клеточной массы каждого донора (бластомеры) путём инъекции переносили внутрь бластоцисты реципиентов.

При этом общее число клеток колебалось от четырёх до восьмикратного увеличения нормального числа клеток. Эмбрионы вводили в перевязанные лигатурой яйцеводы овец до развития до стадии бластоцисты. Нормально развивающиеся бластоцисты пересаживали реципиентам и получали живых ягнят, большинство из которых оказались химерными по данным анализа крови и внешним признакам.

Второй метод по получению химер основан на слиянии клеточной массы двух или нескольких эмбрионов внутри одной зоны пеллюцида. Этим методом можно получать агрегационные химеры.Метод состоит в том, что 8-клеточные эмбрионы инкубируют в среде с протеолитическим ферментом, переваривающим оболочки яйцеклетки. Освобождённые от оболочек эмбрионы соприкасаются между собой, в результате чего их клетки сливаются иперемешиваются. Искусственное получение химер началось с середины 70-х годов (М. Ларен, 1976). В животноводстве известны искусственные химеры как внутривидовые, так и межвидовые.

В Германии получены агрегационные химерные животные после соединения половинок 5-6 дневных эмбрионов от коров-доноров швицкой и голштинской пород крупного рогатого скота. Из семи полученных телят у пяти отсутствовали признаки химеризма, а два сочетали в своём фенотипе характерную масть двух исходных пород – бурую и чёрно-пёструю.

Животные-химеры несут в себе признаки обоих эмбрионов, то есть являются потомками не двух, а четырёх родителей. В 1993 году такой четырёхродительский химерный телёнок был получен в результате слияния эмбрионов двух подвидов крупного рогатого скота Bos Taurus и Bos indicus. Но при иммунологическом анализе у него был обнаружен эритроцитарный антиген, характерный для подвида Bos Taurus.

В университете штата Калифорния получены химеры овцы пород рамбулье и финский ландрас (Дж. Батлер и др. 1985). Однако из 15 полученных ягнят только у 5 методом анализа групп крови подтвердился химеризм.

Свои особенности наблюдаются и при получении межвидовых гибридов. Межвидовые химеры – эмбрионы после пересадки эмбрионов приживляются лишь в 10% случаев. Примером получения межвидовых химер в животноводстве служат овцекозы, сочетающие признаки овцы и козы (К. Файл и др., 1994; С. Майнике-Тилмани, Б. Майнике, 1994).

Авторы отмечают, что химерные животные не передают потомству характерную для них генетическую мозаичность. Подобно гетерозиготным или гибридным животным у потомков происходит расщепление, в результате чего нарушаются ценные генетические комбинации.

Хотя химерные животные поддерживают ценные хозяйственно полезные признаки лишь на протяжении одного поколения в скотоводстве, они могут представлять большой практический интерес. Он заключается в создании животных, сочетающие важные хозяйственно-полезные признаки, как, например, мясную и молочную продуктивность, которые являются антагонистами и трудносовместимы в одном животном.

Жительницу США Лидию Фэйрчайлд ожидал неприятный сюрприз, когда после развода она обратилась за социальным пособием. Ее мужу пришлось подтверждать отцовство анализом ДНК - и последний показал, что как раз Лидия не является матерью двоих общих детей (а заодно и третьего, которым она в это время была беременна). Сначала возникло предположение, что причина - пе­ресадка тканей или переливание крови, однако ни женщина, ни дети не подвергались.

Штат подал иск о мошенничестве. Положение спас адвокат миссис Фэйрчайлд - он предоставил суду статью из «Медицинского журнала Новой Англии»:

52-летней бостонской учительнице Карен Киган требовалась трансплантация почки. Трое ее сыновей согласились быть донорами, однако при генетическом анализе оказалось, что двое из них не родственники собственной матери! Исследования установили массу интересных фактов: в частно­сти, выяснилось, что у Карен была сестра- близнец, которая на ранней фазе эмбрионального развития слилась с выжившим зародышем. Бостонская учительница оказалась химерой - существом, в чьем организме присутствуют, не мешая друг другу, ткани с разными наборами генов.

В прецеденте с миссис Фэйрчайлд все оказалось еще сложнее - ДНК детей Лидии доказывало лишь родство с их бабушкой, матерью миссис Фэйрчайлд. Разобраться удалось лишь благодаря анализу волос, причем волосы на голове и лобке женщины содержали разный генетический материал. Миссис Фэйрчайлд вышла сухой из воды, а ее истории в 2006 году посвятили передачу «Мой близнец во мне».

Официально зафиксировано около сорока случаев химеризма, фактически же их гораздо больше. С высокой вероятностью химерой был знаменитый маньяк Чикатило, у которого не совпадали данные по группе крови и по сперме. Иногда химеризм случайно всплывает при попытках экс­тракорпорального оплодотворения или искусственной инсеминации: ученые из Германии описали пациентку, у которой в организме 99% клеток содержало женский хромосомный набор XX и 1% - мужской, XY. Как оказалось, ее брат-близнец умер при рождении, но его клетки жили в организме сестры.

И это лишь случаи, донесенные до широкой медицинской общественности.

Лапы, крылья и хвост

Термин «химера» взят из греческой мифологии - это «составное» чудовище с телом козы, головой льва, змеиным хвостом и т. д. Порождено оно уродливыми монстрами - полуженщиной-полузмеей Ехидной и великаном Тифоном, убито же, по одной из версий, героем Беллерофонтом. В биологии химера, как уже говорилось, - существо с разнородным генетическим материалом, сосуществующим в одном организме. Первым термин ввел в 1907 году немецкий ботаник Ганс Винклер, назвав химе­рами растения, полученные в результате прививки паслена на черенок томата. Объяснил природу явления другой ботаник - Эрвин Баур. А первое «сложносочиненное» животное было сконструировано в 1984 году - искусственная «мозаика» овцы и козы, детеныш четырех родителей, часть клеток которого содержала овечий геном, а часть - козий.

Химеризм у растений - результат природных мутаций или прививок, когда ветка растения одного вида подсаживается к стволу другого. Эксперименты Лютера Бёрбанка со знаменитым Russet Burbank, сортом картофеля, который сейчас составляет до 50% урожая картофеля в Соединенных Штатах Америки, бескосточковыми сливами и айвой с запахом ананаса в большинстве своем были созданием Франкенштейнов в мире растений.

Тем же занимался знаменитый Мичурин, который со всей обстоятельностью изучал, как влияет подвой (молодое растение, на которое подсаживают чужой черенок) на урожайность, жизнеспособность и другие свойства привоя. Реакция «трансплантат против хозяина», из-за которой столь опасны пересадки органов у людей и животных, растениям, в общем, несвойственна. Единственная сложность - зеленые химеры, как правило, не передают свои качества по наследству, размножать их приходится вегетативным путем.

Химеризм у млекопитающих может быть следствием нескольких процессов, как естественных, так и искусственных. Первый - так называемый тетрагаметический химеризм, когда воедино сливаются две яйцеклетки, каждая из которых оплодотворена своим сперматозоидом, или два эмбриона на ранних стадиях развития, вследствие чего разные органы или клетки такого организма содержат разный хромосомный набор. Истории с «поглощенным близнецом» - типичный пример такого химеризма.

Второй - микрохимеризм. Клетки младенца могут проникать в кровеносную систему матери и прижи­ваться в ее тканях (фетальный микрохимеризм). Например, иммунные клетки плода могут (во всяком случае на несколько лет) вылечить мать от ревматоидного артрита, помочь восстановить сердечную мышцу после развившейся во время беременности сердечной недостаточности или повысить сопротивляемость материнского организма онкологическим заболеваниям. И наоборот, клетки матери проникают через плацентарный барьер к плоду (материнский микрохимеризм). Не без его помощи формируется система врожденного иммунитета: иммунная система плода «натаскивается» на сопротивление болезням, иммунитет к которым выработался у матери. Оборотная сторона этой медали - то, что ребенок еще в утробе матери может стать жертвой ее собственных заболеваний. В частности, такое аутоиммунное заболевание, как волчанка новорожденных, часто встречается у детей, матери которых болеют системной красной волчанкой.

Третий вариант природного химеризма - «близнецовый», когда из-за сращения кровеносных сосудов гетерозиготные близнецы передают друг другу свои клетки (не с одинаковыми, как у гомозиготных, а с так же, как у родных братьев и сестер, различающимися наборами генов). Так стала химерой упомянутая выше пациентка из Германии.

Следующий вариант химеризма - посттрансплантационный, когда после переливания крови или пересадки органа в организме человека собственные клетки сосуществуют с клетками донора. Очень редко, но случается, что клетки донора полностью «встраиваются» в организм реципиента - так, несколько лет назад у одной австралийской девочки после пересадки печени навсегда изменилась группа крови.

Последний вариант - трансплантация костного мозга, при которой врачи прилагают все усилия, чтобы сделать из пациента химеру и заставить пересаженные клетки работать вместо хозяйских.

Собственный костный мозг больного убивают облучением и специальными препаратами, вводят на его место донорские кроветворные клетки и ждут. Если анализы выявляют донорский химеризм - все счастливы, процесс идет, а если удастся справиться с отторжением трансплантата, есть шансы на выздоровление. А вот возвращение «родных» клеток означает скорый рецидив болезни.

Лабораторные химеры

История химерных зародышей началась с бычков доктора Рэя Оуэна и цыплят доктора Питера Брайана Медавара, благодаря которым удалось разработать механизм химеризации.

Телята и цыплята Оуэн первым обратил внимание, что у телят-близнецов в организме прекрасно сосуществуют клетки с разнородным генетическим материалом, и причина тому - сращение кровеносных сосудов. А доктор Медавар сперва сращивал выпиленными в скорлупе «окошками» куриные яйца, затем ставил эксперименты по введению культур клеток уток в куриные зародыши, затем начал соединять кровеносные системы зародышей цыплят и, наконец, сформулировал термин «иммунологическая толерантность» - готовность организма принять чужие клетки. Он первым подсадил зародышам мышат одной чистой линии клетки зародышей другой, а затем пересаживал выжившим химерам лоскуты кожи, чтобы продемонстрировать: пересаженные биоматериалы сохраняют свойства родного организма и при этом не отторгаются. Ученые Чикаго и Ливерпуля сконструировали в лабораториях химеры лесных и домашних мышей, введя дополнительный генетический материал в зародыши на стадии бластоцисты.

Мышата оказались вполне жизнеспособными: более активными, чем домашние мыши, но менее активными, чем лесные. В России успешно выращивали куриных химер - белых леггорнов с рыжими хвостами родайлендов.

Игрушечные человечки

Еще один вариант создания химер - введение человеческой ДНК в яйцеклетку животного. Генетиче­ский материал цибридов - клеточных гибридов - практически полностью является человеческим, от животного они получают только митохондриальную ДНК. Правда, попытки довести гибридные эмбрионы до рождения химер на современном уровне науки обречены на провал; к тому же клонирование человека и тем более создание человеко-животных химер законодательно запрещены во всех развитых странах. Да и нет никакого смысла в таких сложных экспериментах. Несколько десятков цибридных эмбрионов, созданных с чисто исследовательскими целями, были уничтожены через несколько дней после начала деления яйцеклетки.

Доктора и гомункулы

Ученым понадобилось около двадцати лет (с момента первой успешной операции доктора Томаса), чтобы научиться подбирать доноров и реципиентов, совместимых по лейкоцитарным антигенам человека - белкам, несовпадение которых запускает каскад молекулярных реакций, приводящих к отторжению трансплантата, и бороться с отторжением с помощью препаратов, подавляющих иммунитет. К 1990 году было проведено около 4000 пересадок костного мозга - меньше, чем в наши дни проводится за год. Сейчас пятилетняя выживаемость (фактически - выздоровление) при остром лейкозе составляет 65%. Соответственно, появилась возможность наблюдать за неожиданными эффектами химеризма.

К тому, что после пересадки могут измениться группа крови, резус- фактор и структура волос, уже давно готовы и врачи, и родственники больных - но это отнюдь не все.

То, что пересадка костного мозга может излечить даже СПИД, - случайное открытие, везение немецких медиков. Известно, что около 1% европейцев устойчивы к ВИЧ. Некий 42-летний американец, страдающий и лимфомой, и СПИДом, прошел трансплантацию костного мозга, чтобы избавиться от одной из своих болезней. И неожиданно для всех (включая врачей) исцелился от обеих - его донор оказался носителем мутации, обеспечивающей устойчивость к вирусу, и передал ее реципиенту вместе с костным мозгом.

Ноу-хау XXI века - разработки по внутриутробной клеточной терапии. Стволовые клетки крови вводятся плоду, страдающему иммунодефицитом, талассемией, гранулоцитозом - и теоретически ребенок должен родиться здоровым. Практически удалось добиться эффекта лишь у плодов с иммунодефицитом, во всех остальных случаях даже при минимальном химеризме болезнь не отступала. На животных активно проводятся опыты по комплексной терапии: сперва «выключают» иммунитет плода, а затем проводят пересадку. Но до экспериментов на людях пока далеко.

Химеризм во благо

Медицина поставила возможности химеризма себе на службу еще до того, как это явление было изучено во всей полноте. В 1940 году была проведена первая попытка трансплантации больному апластической анемией костного мозга его брата. В 1958 году пересадкой костного мозга в Париже лечили шестерых югославских физиков, пострадавших при аварии на АЭС, пятеро из них выжили. В 1957 году в США доктору Эдуарду Томасу удалось (после тотального облучения тела) добиться приживления трансплантата у двоих детей, больных лейкозом. Дети вскоре погибли, а через 10 лет из 417 проведенных Томасом трансплантаций успешными оказались только три. В 1968 году была осуществлена полностью успешная трансплантация: ребенку с тяжелым иммунодефицитом ввели костный мозг его брата. Больной выздоровел, став химерой - вместо собственных клеток кровь в организме вырабатывали «братские». А Эдуард Томас в 1990 году получил Нобелевскую премию по медицине.

Новость отредактировал olqa.weles - 28-01-2012, 17:47

Гены и развитие организма Нейфах Александр Александрович

3. Химеры животных

3. Химеры животных

Техника получения химерных, или, как их еще называют, аллофенных, зародышей сейчас лучше всего освоена на млекопитающих. Этому способствует отсутствие у них ооплазматической сегрегации и, следовательно, полное равенство всех клеток на ранних стадиях. Два зародыша на стадиях двух - восьми бластомеров, извлеченных из мышей разных генетических линий (часто используют линии с разной окраской шерсти), помещают в капельку питательной среды и сближают друг с другом, так что они сливаются в один зародыш. Затем химерный зародыш переносят в матку третьей мыши, в которой и происходит его развитие. В большом проценте случаев из таких составных зародышей развиваются и рождаются совершенно нормальные мышата, состоящие из клеток двух линий. Если эти линии различались по окраске шерсти (например, черные и белые), то шкурка этих мышат будет содержать полосы черного и белого цвета.

Другой способ получения химер называется инъекционным. В этом случае используют более поздний зародыш, содержащий около ста клеток и представляющий собой полый пузырек - бластоцисту, в которой только несколько клеток - зародышевый узелок или внутренняя клеточная масса - дадут начало самому эмбриону. В такую бластоцисту инъецируют клетки зародыша другой линии. Часть этих клеток прилипает к зародышевому узелку и включается в состав развивающегося эмбриона.

При обоих методах клетки двух линий мышей распределяются в зародыше совершенно случайно, и поэтому полосы разного цвета у химерных мышат располагаются также случайно. Тем не менее американской исследовательнице Минц удалось при изучении сотен таких мышат показать, что в распределении полос того или иного цвета по шкурке есть некоторая закономерность. Существенно уже то, что окраска образует полосы, а не пятна или точки. В черный или белый цвет может быть окрашена та или иная из 17 поперечных полос, причем отдельно для правой или левой стороны головы, для спины и хвоста, т. е. всего таких полос может быть 34. Каждая из этих полос может быть белой или черной с равной вероятностью. Легко подсчитать, что в этом случае из десятков аллофенных мышат трудно встретить двух одинаково окрашенных.

Из этих опытов Минц сделала важный вывод о том, что в тот момент развития, когда пигментные клетки детерминировались, их было всего 34. Далее каждая из них в результате ряда делений образовала популяцию пигментных клеток, которые перемещались очень ограниченно, только вдоль узкой зоны кожи, идущей от хребта к животу, и каждая из них определила окраску одной полосы. Однако провести такой же анализ клеток пигментного эпителия глаза оказалось невозможно: в ходе развития черные и неокрашенные клетки перемешиваются и группу пигментированных клеток нельзя считать потомством одной первично-детерминированной клетки. Опыты с химерами позволили получить и другие интересные данные, хотя их интерпретация не всегда может быть однозначной.

Пол восьмиклеточных зародышей в момент их слияния друг с другом неизвестен, и поэтому в 50 % случаев возникают химеры, состоящие из смеси женских клеток с двумя Х-хромосомами (XX) и мужских клеток с половыми хромосомами (XY). Оказалось, что чаще, хотя и не всегда, пол таких химер мужской, причем нередко возникают гермафродиты, у которых одна половая железа мужская, а другая - женская. Можно думать, что пол железы определяется случайно возникающим соотношением в ней клеток с XX- и XY-генотипами, причем XY-клетки оказывают более сильное влияние.

У химерных мышей в крови присутствуют эритроциты обеих линий, но оказалось, что доля эритроцитов одной из линий мышей (С57В1) всегда больше, чем другой (СЗН). Очевидно, способность кроветворных клеток к размножению у разных линий мышей различна. Зато в печени у этих химер преобладают клетки линии СЗН.

Кровь химерных мышей содержит лимфоциты обеих линий, которые толерантные (совместимы) с тканями обеих линий. Это означает следующее: кусочки кожи линии С57В1, пересаженные на тело мыши СЗН, быстро отторгаются. He толерантны и обратные пересадки с СЗН на С57В1. Ho кусочки кожи обеих «родительских» линий мышей хорошо приживаются на химерных мышах, полученных из этих двух линий. Мы вернемся к вопросу о тканевой совместимости в главе об иммунитете.

Очень интересны химеры в отношении их способности к образованию опухолей. Так, линия мышей АКР отличается высокой частотой опухолей лимфатической ткани - лимфом, а линия СЗН - опухолей печени - гепатом. У химер между этими линиями возникают и те и другие опухоли, причем лимфомы всегда образуются из клеток АКР, а гепатомы - из СЗН. Создается впечатление, что опухоли возникают совершенно автономно от остального организма и определяются только генотипом клеток. Однако если получать химеры различных высокораковых линий с низкораковой линией СВА, то частота образования опухолей заметно снижается. Механизм этого важного явления пока непонятен.

Особо следует остановиться на опытах с инъекционными химерами, когда в бластоцисту вводили клетки особой опухоли - тератокарциномы. Эту опухоль можно получить искусственно, если пересадить нормальный зародыш какой-либо линии мышей под кожу взрослой мыши и потом регулярно переносить растущий трансплантат от мыши к мыши. В результате возникает тератокарцинома - перевиваемая опухоль, в центре которой находятся быстро размножающиеся недифференцированные клетки, а по периферии образуются участки самых различных дифференцированных тканей. Но при инъекции в бластоцисту центральной части такой опухоли ее клетки входят в состав зародыша и перестают быть опухолевыми. Они ведут себя как обычные химеры, т. е. становятся нормальными клетками различных органов взрослой мыши. Вероятно, это первый пример того, как опухолевые клетки под влиянием эмбриональных тканей превращаются в нормальные клетки организма. Однако потомство с генотипом опухолевой линии от этих химерных мышей получить пока не удалось. Клетки тератокарциномы, являясь опухолевыми, сохраняют большие потенции и могут дифференцироваться во многих направлениях, но способность образовывать нормальные половые клетки ими, вероятно, все же утрачивается. Особые химеры были получены в нашей стране Н. Г. Хрущовым. Облученной мыши, чьи кроветворные клетки были убиты, в кровяное русло вводили клетки костного мозга или селезенки крысы. У мыши образовывались кроветворные колонии крысиных клеток. Их судьбу и дальнейшие превращения было легко проследить благодаря особенностям мышиных и крысиных клеток, легко различимым под микроскопом.

У дрозофилы химеры создаются при инъекции эмбриональных ядер одной линии мух в оплодотворенное яйцо другой линии, имеющее свои ядра. Судьба инъецированных ядер зависит от места их введения. На заднем конце яйца они становятся половыми клетками. В других частях яйца они попадают в ту или иную область поверхностной цитоплазмы и соответственно образуют клетки, входящие в состав тканей личинки или взрослой мухи. При этом они сохраняют отличительные особенности своей генетической линии. Сходный результат получают и при инъекции в яйцо ядер из некоторых многократно перевиваемых культур клеток дрозофилы, но половые клетки при этом не образуются. Очень важно, что при некоторых обстоятельствах клетки еще не теряют способности к дифференцировке, но уже не могут образовать половые клетки. Это заставляет взглянуть на зародышевый путь не как на полезную абстракцию, а как на определенную реальность.

В этой главе мы старались показать, как различные способы гибридизации создают комбинации двух генотипов и цитоплазмы или комбинации клеток с разными генотипами. Возможности, которые открывают эти методические подходы, еще не исчерпаны, и работа в этих направлениях (особенно с соматическими гибридами и с химерами) активно продолжается. Гибридизация животных и растений уже привела к огромным практическим достижениям в получении новых пород и сортов. Можно ожидать, что и методы «клеточной инженерии» дадут не только важные теоретические, но и чисто практические результаты.

Слияние ранних зародышей приводит к появлению аллофенных мышей (химер)

Эмбрионы мышей разных линий (например, с черной и белой окраской) на стадии восьми клеток извлекают из материнских организмов, освобождают от оболочек и сближают. При этом образуется один зародыш смешанного происхождения. Его пересаживают в третью мышь - «мать-воспитательницу», которая и рождает химерных мышат