Японские ученые придумали простой способ замедления сперматозоидов с Х-хромосомой путем избирательной активации рецепторов из семейства TLR. Такая сортировка сперматозоидов in vitro с последующим искусственным оплодотворением помогла получить потомство мышей, на 90 процентов состоящее из самцов. Работа опубликована в журнале PLOS Biology.
В процессе сперматогенеза из диплоидных клеток с набором хромосом XY образуются гаплоидные сперматозоиды, несущие либо X (женскую), либо Y (мужскую) хромосому. Количество тех и других одинаково, поэтому у млекопитающих в потомстве обычно рождается примерно поровну самцов и самок. Тем не менее, это соотношение можно изменить искусственно, как это делается в ветеринарии и медицине. К примеру, для молочной промышленности выгодней сдвинуть соотношение полов в потомстве телят в сторону женского пола. Выбор пола ребенка на этапе искусственного оплодотворения иногда используется в медицинских целях, чтобы избежать проявления сцепленных с полом заболеваний в случае плохой наследственности (в иных условиях манипулировать полом будущих детей на этом этапе не разрешено).
Выбрать пол на этапе искусственного оплодотворения проще всего путем разделения сперматозоидов на X-содержащие и Y-содержащие. Это возможно сделать несколькими способами. Например, за счет незначительных различий по массе сперматозоиды можно разделить центрифугированием, или пометить носителей нужной хромосомы флуоресцентной меткой и отобрать их при помощи проточной цитометрии. Кроме того, подвижность X- и Y-сперматозоидов отличается в определенных условиях среды.
Ученые из Университета Хиросимы придумали новый способ разделения сперматозоидов по подвижности на основе различий в экспрессии генов на половых хромосомах, и опробовали его на мышах. Хотя по большей части экспрессия генов в сперматозоидах подавлена, некоторое количество их все же работает, в том числе на половых хромосомах. Исследователи проанализировали данные РНК-секвенирования мышиной спермы и выяснили, что на X-хромосоме остаются активными 492 гена из почти трех тысяч. Среди рабочих генов обнаружилось шесть генов, кодирующих рецепторы, к которым можно подобрать уникальные лиганды (связывающиеся с ними молекулы).
Авторы выбрали из этого списка гены, кодирующие толл-подобные рецепторы 7 и 8 (TLR7/8), которые принимают участие в работе врожденного иммунитета. Исследователи подтвердили, что они действительно производятся X-содержащими сперматозоидами, но не Y-содержащими. Инкубация спермы с иммуномодуляторами резиквимодом и имиквимодом, которые специфически связываются с TLR7 и 8, привела к уменьшению подвижности экспрессирующих их сперматозоидов.
Ученые выяснили, что торможение вызывает не само по себе связывание молекулы, а существенное снижение продукции АТФ (клеточного «топлива») в результате активации рецепторов. К такому результату приводило либо снижение активности митохондрии в результате активации TLR8, либо снижение скорости расщепления глюкозы путем гликолиза в результате активации TLR7.
В результате искусственного оплодотворения отобранной по подвижности «быстрой» Y-фракцией спермы количество мышат мужского пола составило 90 процентов (69 эмбрионов с генотипом XY из 77 полученных эмбрионов). Для X-фракции результат оказался хуже, лишь 70 процентов потомства оказалось самками.
Авторы работы не проверяли, экспрессируются ли TLR7/8 на X-сперматозоидах разных видов млекопитающих, однако предполагается, что активность этих генов довольно консервативна. Кроме того, авторы ранее показали, что другие гены этого семейства, TLR2 и 4, работают в человеческой и свиной сперме, поэтому разработанная технология потенциально применима и для других видов.
Недавно мы рассказывали, как ученые предложили сдвигать соотношение полов в помете мышей при помощи технологии CRISPR-Cas9. Комбинация встроенных кассет, кодирующих белок Cas9 и гидовую РНК против важных генов на Y-хромосоме, делало потомство мужского пола нежизнеспособным.
Бывают случаи, когда хромосомный пол не соответствует фактическому — об этом можно почитать в нашем материале «Легко ли стать мужчиной».
