Kaguya, das erste parthenogenetische Säugetier – technischer Triumph oder Lottogewinner?

Mit der Geburt der Maus ‚Kaguya‘, dem ersten lebensfähigen parthenogenetischen Säugetier (Kono et al. 2004). Die Arbeit wurde von Dr. Tomohiro Kono und Kollegen durchgeführt und stellt eine große technische Errungenschaft dar, bei der viele Hundert rekonstruierte Eier hergestellt wurden, aus denen am Tag 19.5 der Trächtigkeit zehn lebende und achtzehn tote Welpen gewonnen wurden. Von den beiden überlebenden Welpen wurde einer für Genexpressionsstudien getötet und der andere, Kaguya, wurde gefördert und überlebte, um sich mit herkömmlichen Mitteln erfolgreich zu vermehren. Diese Arbeit erweitert das, was bei der künstlichen Fortpflanzung erreicht werden kann, und kann wichtige Auswirkungen auf das Verständnis von Aspekten der Embryonalentwicklung und der Genregulation haben. Im Gegensatz zu den Ansichten einiger Kommentatoren in der populären Presse ist es jedoch unwahrscheinlich, dass sie einen großen Einfluss auf die künstlichen Reproduktionstechnologien des Menschen haben.

Die genomische Prägung, die differentielle Expression von Genen in Abhängigkeit von ihrer elterlichen Herkunft, ist die wichtigste (vielleicht einzige) Barriere für die parthenogenetische Entwicklung bei Säugetieren, bei denen das Individuum kein väterliches genetisches Material enthält. In mechanistischer Hinsicht bedeutet genomische Prägung, dass das Chromatin bestimmter genetischer Loci in den elterlichen Keimbahnen differentiell modifiziert wird, so dass die elterlichen Allele im sich entwickelnden Embryo differentiell exprimiert werden. Etwa fünfzig Gene wurden in Mäusen und Menschen beschrieben, die während der Embryonalentwicklung eine transkriptionelle Stummschaltung eines der elterlichen Allele aufweisen (Moore et al. 2001, Abb. 1A). Parthenogenetische Embryonen haben daher einen Mangel an väterlich exprimierten geprägten Genprodukten und weisen eine schwere Wachstumsverzögerung und einen intrauterinen Tod auf.Seit fast einem Jahrzehnt arbeiten Kono und andere daran, das Ausmaß zu verbessern, in dem sich parthenogenetische Embryonen in utero entwickeln können, wodurch wichtige mechanistische Details des Prägeprozesses aufgedeckt werden (Kono et al. 1996, 2002, Obata et al. 1998, Kato et al. 1999, Bao et al. 2000, 2003, Sotomaru et al. 2002). Grundsätzlich zeigen ihre Arbeiten, dass das Aufbringen von Abdrücken in die mütterliche Keimbahn in einem relativ späten Stadium der Oogenese erfolgt. Daher können an einigen eingeprägten genetischen Loci nicht wachsende (ng) Oozyten in Bezug auf maternal auferlegte Abdrücke ‚abdruckneutral‘ sein oder einige väterliche Abdrücke behalten, die erst später in der Oogenese entfernt werden. Für beide Möglichkeiten gibt es Hinweise (Kono et al. 1996, Obata et al. 1998, Kato et al. 1999, Bao et al. 2000, T Kono, unveröffentlichte Beobachtungen). Wenn ng-Oozyten zur Rekonstitution der Diploidie unbefruchteter Eier verwendet werden (Abb. 1B) ist das Ergebnis eine Entwicklung, die weit über das hinausgeht, was normalerweise mit ausgewachsenen (fg) Oozyten gesehen wird. Trotz dieser Verbesserungen können sich solche Embryonen am weitesten bis zum Tag 13.5 der Schwangerschaft entwickeln (Kono et al. 1996). Die molekulargenetische Analyse dieser Embryonen zeigt, dass, während mehrere väterlich exprimierte imprintierte Gene aus dem ng-Oozytengenom exprimiert werden, das normalerweise maternal exprimierte H19-Gen biallel exprimiert wird und das väterlich exprimierte Igf2-Gen sowohl auf ng- als auch auf fg-abgeleiteten Allelen zum Schweigen gebracht wird (Obata et al. 1998).

Konos nächster Schritt war der Versuch, die H19- und Igf2-Gendosis in parthenogenetischen Embryonen zu korrigieren, indem Chromosomen eingeführt wurden, die Deletionen enthielten, die: (i) die H19-Transkription abschaffen (Kono et al. 2002, Abb. 1C) und (ii) die H19-Transkription abschaffen und die Igf2-Expression wiederherstellen (Kono et al. 2004, Abb. 1D). Die erste Manipulation verlängerte die parthenogenetische Entwicklung in utero bis zum Tag 17.5 der Schwangerschaft und die zweite führte zur Geburt von Kaguya. Für bare Münze genommen, implizieren diese Ergebnisse, dass weitere Verbesserungen der Rate der erfolgreichen parthenogenetischen Entwicklung mit tieferen Kenntnissen des Prägeprozesses und komplexeren Manipulationen des Genotyps oder Epigenotyps möglich sind. Im Wesentlichen kann eine Art rationale Entwicklungstechnik erreichbar sein.Rudolf Jaenisch, der kürzlich in The Scientist zitiert wurde, argumentiert jedoch, dass Kaguya einfach ein stochastisches Ereignis ist, bei dem ein Hauptbestandteil der epigenetischen Basis ihrer Lebensfähigkeit unvorhersehbar ist (Holding et al. 2004). Er verbannt im Wesentlichen Konos Begründung der Verwendung von H19 / Igf2-Transgenen in eine untergeordnete Rolle. Implizit argumentiert er, dass, wenn eine große Anzahl von Embryo-Rekonstitutionsexperimenten durchgeführt wird, die Geburt lebensfähiger Nachkommen aufgrund einer zufälligen Stichprobe des Epigenotypraums auftreten kann. Seine Argumente entsprechen dem Vorschlag, dass lebensfähige geklonte Tiere, die durch somatische Zellreprogrammierung produziert werden, nur einzigartige, zufällige Ereignisse sind (Surani 2003). In Konos Experimenten wird jedoch im Gegensatz zum Klonen somatischer Zellen der ng-Eizellkern wahrscheinlich nicht umfassend umprogrammiert Chromatin, bereits an ein Keimbahnstammzellschicksal gebunden. Auch solche Oozyten werden in einem definierten Entwicklungsstadium explantiert und sind daher in Bezug auf den Epigenotyp relativ homogen. Ein lehrreicherer Vergleich in Embryo-Rekonstitutionsexperimenten kann mit der Verwendung von haploiden Spermatidkernen aus dem Hoden oder diploiden Blastomerkernen aus Präimplantationsembryonen erfolgen, die relativ hohe Entwicklungsraten aufweisen.

Was liegt dann den niedrigen Raten der parthenogenetischen Lebensfähigkeit in Konos Experimenten zugrunde? Eine Möglichkeit besteht darin, dass der Ursprung der Variabilität des Epigenotyps der ng-Eizelle auf die Zufallsstichprobe verschiedener Kombinationen von maternal und väterlich abgeleiteten chromosomalen Regionen bei der Meiose zurückzuführen ist. Es sei daran erinnert, dass der diploide ng-Eizellkern maternal und väterlich abgeleitete Homologe enthält, die sich an eingeprägten Stellen aufgrund unvollständiger Entfernung der verbleibenden mütterlichen und väterlichen Abdrücke in diesem Stadium der Eizellenentwicklung systematisch (und nicht stochastisch) unterscheiden können. Bei jedem eingeprägten Locus werden maternal und väterlich abgeleitete Homologe gemischt und bei der Meiose zufällig getrennt. Daher repräsentiert in Konos Experimenten jeder resultierende haploide ng-Eizellkern eine von 2n Kombinationen von mütterlichen und väterlichen Abdrücken, wobei n die Anzahl der eingeprägten chromosomalen Regionen ist, die in ng-Eizellen differentiell modifiziert bleiben. Wenn beispielsweise das diploide ng-Oozytengenom acht eingeprägte Chromosomenregionen enthält, die systematisch Restunterschiede zwischen mütterlichen und väterlichen Homologen aufweisen, folgt daraus, dass es 28 (256) mögliche Epigenotypen gibt, von denen möglicherweise nur eine geringe Anzahl die Lebensfähigkeit des Embryos zulässt. Um das Beispiel zu erweitern: vielleicht ist nur die 1 in 256 von ng-Oozyten, die einen vollständigen Satz von acht ehemals väterlichen Homologen erben, in der Lage, eine gute Embryoentwicklung zu unterstützen, da einige väterliche Abdrücke an diesen Loci erhalten bleiben. Die Gültigkeit dieser Hypothese konnte mit ng-Oozyten aus einem F1-Hybrid getestet werden, um die Verteilung von großmutterlichen und großmutterlichen Homologen an aufgeprägten Loci in rekonstituierten Embryonen mit außergewöhnlicher Entwicklung zu identifizieren.

Jaenisch stellt auch fest, dass die Rettung der parthenogenetischen Lebensfähigkeit von Embryonen durch die Verbesserung der Igf2-Expression (nämlich Kaguya) unerwartet ist, da Igf2 für die Lebensfähigkeit in normalen biparentalen Embryonen entbehrlich ist. Der Beitrag von Igf2 zur Lebensfähigkeit von Embryonen wurde jedoch nur in einer sehr begrenzten Anzahl genetischer Hintergründe getestet. Es ist durchaus denkbar, dass einige parthenogenetische Embryonen von Kono, die einen anderen Epigenotyp und ein anderes Genexpressionsmuster aufweisen als biparentale Embryonen, von der Komplementierung mit Igf2 profitieren. Konos ‚faszinierendes Rätsel‘, wie die H19 / Igf2-Normalisierung ‚die Modifikation einer Vielzahl von Genen verursachte‘ (Kono et al. 2004) kann ein roter Hering sein, da sich der Epigenotyp eines parthenogenetischen Embryos, der auf die H19 / Igf2-Normalisierung reagiert, von einem unterscheiden kann, der dies nicht tut. Die wahrgenommene Änderung der Genexpression, die mit der Zugabe der H19Δ13-Mutation verbunden ist, kann daher die Selektion eines bereits vorhandenen Epigenotyps widerspiegeln, der die Igf2-vermittelte Verstärkung der parthenogenetischen Entwicklung erleichtert, anstatt ein direktes Ergebnis der Igf2-Expression an sich zu sein.

• Abbildung herunterladen

Schematische Darstellung des Epigenotyps am H19 / Igf2-Genlocus im Zusammenhang mit verschiedenen Manipulationen von Mauskeimzellen. A) Normale Befruchtung. (B) Embryo-Rekonstitution mit ausgewachsener Oozyte und nicht wachsender Oozyte (Kono et al. 1996). (C) Embryo-Rekonstitution mit ausgewachsener Oozyte und nicht wachsender Oozyte mit Deletion der H19-Transkriptionseinheit (Kono et al. 2002). (D) Embryo-Rekonstitution mit ausgewachsener Oozyte und nicht wachsender Oozyte, die eine ausgedehnte Deletion der H19-Genregion einschließlich stromaufwärts differentiell methylierter Region / Grenzelement (Kono et al. 2004). Vertikale Balken: Rote Balken, Igf2-Gentranskriptionseinheit; grüne Balken, differentiell methylierte Region / Grenzelement stromaufwärts des H19-Genpromotors; blaue Balken, H19-Gentranskriptionseinheit. Die Werte beziehen sich auf den Tag der Schwangerschaft (Entwicklungsstadium), der nach jeder Art der Manipulation erreicht wurde.

Zitat: Reproduktion 128, 1; 10.1530/rep.1.00311

• Bao S, Obata Y, Carroll J, Domeki I & Kono T 2000 Epigenetic modifications necessary for normal development are established during oocyte growth in mice. Biology of Reproduction 62 616–621.

  Bao S, Obata Y, Carroll J, Domeki I & Kono T2000 Epigenetic modifications necessary for normal development are established during oocyte growth in mice. Biology of Reproduction62616–621.)/ false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation

• Bao S, Ushijima H, Hirose A, Aono F, Ono Y & Kono T 2003 Entwicklung von Rindereizellen, die nach Befruchtung in vitro mit einem Kern aus Eizellen im Wachstumsstadium rekonstruiert wurden. Theriogenologie 59 1231-1239.

  Bao S, Ushijima H, Hirose A, Aono F, Ono Y & Kono T2003 Entwicklung von Rindereizellen, die nach Befruchtung in vitro mit einem Kern aus Eizellen im Wachstumsstadium rekonstruiert wurden.Theriogenology591231-1239.)/ false
  • Suche Google Scholar
  • Zitat exportieren

• Holding C 2004 1st mouse by parthenogenesis? Single-Gen-Knockout in dual mütterlichen Oozyten führt zu lebensfähigen Mäusen, aber einige Zweifel Studie. Der Wissenschaftler April 21, http://www.biomedcentral.com/news/20040421/01/.

• Kato Y, Rideout WM III, Hilton K, Barton SC, Tsunoda Y & Surani MA 1999 Entwicklungspotential von primordialen Keimzellen von Mäusen. Entwicklung 126 1823-1832.

  Kato Y, Rideout WM III, Hilton K, Barton SC, Tsunoda Y & Surani MA1999 Entwicklungspotential von primordialen Keimzellen von Mäusen. Entwicklung1261823-1832.)/ false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation

• Kono T, Obata Y, Yoshimzu T, Nakahara T & Carroll J 1996 Epigenetische Modifikationen während des Eizellwachstums korrelieren mit einer erweiterten parthenogenetischen Entwicklung in der Maus. Naturgenetik 13 91-94.

  Kono T, Obata Y, Yoshimzu T, Nakahara T & Carroll J1996 Epigenetische Modifikationen während des Eizellwachstums korrelieren mit einer erweiterten parthenogenetischen Entwicklung in der Maus. Naturgenetik1391-94.)/ false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation

• Kono T, Sotomaru Y, Katsuzawa Y & Dandolo L 2002 Parthenogenetische Embryonen von Mäusen mit monoallelischer H19-Expression können sich bis zum Tag 17.5 der Trächtigkeit entwickeln. Entwicklungsbiologie 243 294-300.

  Kono T, Sotomaru Y, Katsuzawa Y & Dandolo L2002 Parthenogenetische Mausembryonen mit monoallelischer H19-Expression können sich bis zum 17.5. Entwicklungsbiologie243294-300.)/ false
  • Suche Google Scholar
  • Zitat exportieren

• Kono T, Obata Y, Wu Q, Niwa K, Ono Y, Yamamoto Y, Park ES, Seo JS & Ogawa H 2004 Geburt parthenogenetischer Mäuse, die sich bis zum Erwachsenenalter entwickeln können. Natur 428 860-864.

  Kono T, Obata Y, Wu Q, Niwa K, Ono Y, Yamamoto Y, Park ES, Seo JS & Ogawa H2004 Geburt parthenogenetischer Mäuse, die sich bis zum Erwachsenenalter entwickeln können. Nature428860-864.)/ false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation

• Moore T 2001 Genetischer Konflikt, genomische Prägung und Etablierung des Epigenotyps in Bezug auf Wachstum. Reproduktion 122 185-193.

  Moore T2001 Genetischer Konflikt, genomische Prägung und Etablierung des Epigenotyps in Bezug auf Wachstum. Reproduktion122185-193.)| false
  • Suche Google Scholar
  • Zitat exportieren

• Obata Y, Kaneko-Ishino T, Koide T, Takai Y, Ueda T, Domeki I, Shiroishi T, Ishino F & Kono T 1998 Die Störung der primären Prägung während des Eizellenwachstums führt zur modifizierten Expression von eingeprägte Gene während der Embryogenese. Entwicklung 125 1553-1560.

  Obata Y, Kaneko-Ishino T, Koide T, Takai Y, Ueda T, Domeki I, Shiroishi T, Ishino F & Kono T1998 Die Störung der primären Prägung während des Eizellenwachstums führt zu einer modifizierten Expression prägter Gene während der Embryogenese. Entwicklung1251553-1560.)/ false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation

• Sotomaru Y, Katsuzawa Y, Hatada I, Obata Y, Sasaki H & Kono T 2002 Unregulierte Expression der eingeprägten Gene H19 und Igf2r in Maus-uniparentalen Föten. Journal of Biological Chemistry 277 12474–12478.

  Sotomaru Y, Katsuzawa Y, Hatada I, Obata Y, Sasaki H & Kono T2002 Unregulated expression of the imprinted genes H19 and Igf2r in mouse uniparental fetuses. Journal of Biological Chemistry27712474–12478.)| false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation

• Surani A 2003 False impressions on human cloning. Reproductive BioMedicine Online 6 398–399. http://www.rbmonline.com/Article/942.

  Surani A2003 False impressions on human cloning. Reproductive BioMedicine Online6398–399. http://www.rbmonline.com/Article/942.)| false
  • Search Google Scholar
  • Export Citation