количество хромосом в клетке восстанавливается до нормального, присутствующего во всех обычных клетках (сорок шесть), и этот геном называется диплоидным. Очень важно, чтобы и яйцеклетка, и сперматозоид были гаплоидными, так как в противном случае у каждого следующего поколения было бы вдвое больше хромосом, чем у предшествующего.
Мы могли бы предположить, что причина, по которой у каждого млекопитающего обязательно должны быть мать и отец, заключается в том, что только при этом условии можно объединить два гаплоидных генома, чтобы создать новую клетку с полным набором хромосом. Разумеется, что именно так все и происходит, но эта модель также подразумевает, что единственная причина того, что каждому из нас требуются двое разнополых родителей, состоит в процессе родов.
В 2010 году профессор Роберт Эдвардс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за выдающиеся разработки в области искусственного оплодотворения, которые привели к появлению так называемых детей из пробирки. В ходе этого процесса яйцеклетка извлекается из организма женщины, оплодотворяется в лабораторных условиях, а затем вновь имплантируется в матку. Искусственное оплодотворение — необычайно сложная задача, и успехи профессора Эдвардса в сфере репродуцирования человека целиком и полностью основываются на многих и многих годах кропотливых экспериментов, проводившихся над мышами.
Работы с мышами заложили прочный фундамент для удивительной серии экспериментов, которые продемонстрировали, что воспроизводство у млекопитающих далеко не ограничивается исключительно процессом родов. Признанным мировым светилом в этой области является профессор Азим Сурани из Кембриджского университета, который начинал свою научную карьеру и получил докторскую степень, работая под руководством Роберта Эдвардса. А так как профессор Эдвардс получил начальное исследовательское образование в лаборатории Конрада Уоддингтона, то мы с полным правом можем считать Азима Сурани интеллектуальным внуком Уоддингтона.
Азим Сурани принадлежит к той славной когорте британских ученых, которые, невзирая на свой статус, очень легко относятся к собственной славе. Действительный член Королевского научного общества, он является кавалером Ордена Британской империи III степени, обладателем престижной Габоровской медали и Королевской медали Королевского научного общества. Следуя по стопам Джона Гердона и Эдриана Берда, он продолжает открывать новые земли в своих странствованиях по океану исследований, в которые он пустился более четверти века назад.
Приступив к работе в середине 1980-х годов, Азим Сурани выполнил программу экспериментов, безоговорочно продемонстрировавших, что система воспроизведения млекопитающих далеко не ограничивается одним лишь процессом родов. Мы нуждаемся в биологическом отце и биологической матери отнюдь не только потому, что только таким образом два гаплоидных генома могут слиться и образовать одно диплоидное ядро. Огромнейшее значение имеет тот факт, что одну половину нашей ДНК мы наследуем у матери, а другую — у отца.
На рисунке 7.1 показано, как выглядит только что оплодотворенная яйцеклетка, еще до слияния в ней двух геномов. Рисунок, конечно, во многом упрощен и гиперболизирован, но он выполняет поставленную перед ним задачу. Гаплоидные ядра яйцеклетки и сперматозоида называются пронуклеусами.
Рис. 7.1. Яйцеклетка млекопитающего сразу же после проникновения в нее сперматозоида, но до слияния двух гаплоидных (с половинным набором хромосом) пронуклеусов. Обратите внимание на разницу в размерах пронуклеусов яйцеклетки и сперматозоида
Мы видим, что женский пронуклеус значительно крупнее мужского. Для экспериментальных целей это имеет большое значение, поскольку мы можем визуально различать женский и мужской пронуклеусы. А так как мы можем отличать их друг от друга, у ученых появляется возможность переносить пронуклеус из одной клетки в другую и быть абсолютно уверенными в том, чей именно пронуклеус был перенесен. Исследователи четко представляют, с каким пронуклеусом они работают: с выделившимся из отцовского сперматозоида (мужской пронуклеус) или из материнской яйцеклетки (женский пронуклеус).
Много лет назад профессор Гердон пользовался крошечными микропипетками, чтобы переносить ядра соматических клеток лягушек в лягушачьи икринки. В распоряжении Азима Сурани были более современные технологии для переноса пронуклеусов из одних оплодотворенных яйцеклеток мышей в другие. Затем искусственно оплодотворенные яйцеклетки имплантировались самкам мышей, и там уже продолжалось их развитие. Было важно поместить пронуклеусы именно в оплодотворенные яйцеклетки, поскольку только в них создается необходимая среда для формирования и развития эмбриона после слияния двух иронуклеусов. По той же причине Джон Гердон использовал оплодотворенные лягушачьи икринки в своих работах по перепрограммированию, а Кит Кэмпбелл и Иэн Вилмут воспользовались оплодотворенной яйцеклеткой в качестве реципиента, когда клонировали овечку Долли.
Во множестве работ, опубликованных преимущественно между 1984 и 1987 годами, профессор Сурани продемонстрировал, что для создания новых живых мышат необходимо иметь и мужской, и женский пронуклеус. Графически это показано на рисунке 7.2.
Рис. 7.2. Резюме результатов ранних экспериментов Азима Сурани. Пронуклеус извлекался из яйцеклетки мыши. Затем в эту донорскую яйцеклетку помещались два гаплоидных пронуклеуса, и получившаяся в результате диплоидная яйцеклетка имплантировалась в суррогатную мать. Живые мышата рождались только из тех яйцеклеток, в которых были представлены один мужской и один женский пронуклеус. Эмбрионы яйцеклеток, состоявших из двух мужских или двух женских пронуклеусов, не развивались должным образом и погибали в процессе развития.
Для отслеживания влияния разных геномов ДНК исследователи использовали инбредные линии мышей. Благодаря этому была обеспечена генетическая идентичность всех трех типов оплодотворенных яйцеклеток, показанных на диаграмме. И несмотря на их полную генетическую идентичность, серии экспериментов, проведенных Азимом Сурани и его коллегами[53][54][55], а также исследования, независимо проведенные в лабораториях Давора Солтера[56] и Брюса Каттенача[57], дали однозначные результаты. Если в оплодотворенной яйцеклетке присутствовали только два женских или два мужских пронуклеуса, мышата никогда не рождались живыми. Для этого необходимо иметь по одному пронуклеусу каждого пола.
Это абсолютно уникальное открытие. Во всех трех случаях, представленных на диаграмме, в зиготе присутствовало строго одинаковое количество генетического материала. Каждая зигота обладала диплоидным геномом (двумя копиями каждой хромосомы). Если бы единственным условием, необходимым для создания нового индивидуума, было количество ДНК, тогда бы во всех трех типах оплодотворенных яйцеклеток сформировались и развились полноценные мышата.
Результаты этих экспериментов подводят нас к революционному открытию — материнский и отцовский геномы могут нести одинаковую ДНК, но функционально они не эквивалентны. Для появления потомства недостаточно иметь правильный набор отрегулированных последовательностей ДНК. Мы должны унаследовать ДНК как у отца, так и у матери. Каким-то образом наши гены «помнят», от кого они произошли. И нормально функционировать они будут только в том случае, если были получены от «правильного» родителя. Одного лишь нужного количества копий каждого гена далеко не достаточно для полноценного развития и здоровой жизни.
Мы знаем, что это не какое-то уникальное явление, присущее только мышам, поскольку то же самое происходит естественным образом и у людей. Например, примерно в одном из 1500 случаев беременности у представительниц человечества в матке формируется плацента, но как такового плода в ней нет. Эта плацента аномальна, она вся покрыта наполненными жидкостью и похожими на виноградины «пузырьками». (Клетки оплодотворенной яйцеклетки размножаются не как положено, а начинают бурно и бесконтрольно делиться и наполняются жидкостью, так что напоминают виноградную гроздь. Прим. редактора). Такое образование называется хорионаденомой или пузырным заносом, и в некоторых азиатских странах частота сопровождаемых ею беременностей может достигать одной на 200 случаев. Женщины исправно прибавляют в весе, часто быстрее, чем при нормальной беременности, а по утрам испытывают тошноту, сопровождаемую рвотой, нередко очень сильной. Стремительно растущие плацентарные структуры вырабатывают в аномально высоких количествах гормон, который считается ответственным за симптомы тошноты во время беременности.
В странах с развитой инфраструктурой здравоохранения хорионаденома обычно диагностируется уже при первом ультразвуковом обследовании, после чего медицинские работники проводят необходимые мероприятия по прерыванию беременности. Если патология определена не сразу, то она приводит к самопроизвольному выкидышу, который случается на четвертый-пятый месяц после оплодотворения. Ранняя диагностика хорионаденом очень важна, так как, оставленные без вмешательства, они могут стать причиной образования потенциально опасных опухолей.
Хорионаденомы формируются в случае оплодотворения яйцеклетки, в которой по какой-то причине отсутствует ядро. Почти в 80 процентах хорионаденомных беременностей пустая яйцеклетка оплодотворяется единственным сперматозоидом, и гаплоидный геном сперматозоида копируется для создания диплоидного генома. Примерно в 20 процентах случаев пустая яйцеклетка оплодотворяется одновременно двумя сперматозоидами. В обеих ситуациях оплодотворенная яйцеклетка имеет необходимое количество хромосом (46), но вся ДНК поступает от отца. По этой причине развивается патология плода. Как и экспериментальным мышам, человеку для нормального развития необходимы хромосомы и матери, и отца.