Техника разведения кур и редактирование генов: что использую ученые для восстановления вымерших видов птиц

Рассказы о жизни вымерших птиц, чьи макеты ныне находятся в музеях естественной истории, можно услышать от экскурсоводов. Но как эти птицы пели? Как они выглядели в полете? В какой экологической нише обитали?

Сейчас предпринимаются активные попытки возрождения вымерших млекопитающих, таких как шерстистый мамонт и квагга, путем клонирования, искусственного осеменения и селекционного процесса, направленного на возвращение одомашненных видов к фенотипам, которые очень похожи на их диких предков. Однако репродуктивные системы птиц не так часто поддаются этим методам.

Техника разведения кур

Поэтому ученые обращаются к культивированию передачи зародышевых клеток - многообещающему методу генной инженерии, который уже более десяти лет используется для размножения домашних кур, модифицированных генами. Идея состоит в том, что гены вымерших птиц могут быть воспроизведены и внедрены в зародышевые линии эмбрионов-хозяев.

Хотя этот метод хорошо работает у цыплят, современные клеточные культуральные среды не поддерживают примордиальные половые клетки диких птиц (ПГК), предшественников сперматозоидов и яйцеклеток. ПГК внедряют генетические последовательности в хозяина, чтобы они могли передаваться из поколения в поколение.

Крупномасштабная амплификация ПГК диких птиц

Revive & Restore, организация, занимающаяся внедрением биотехнологий в охрану дикой природы и поддерживающая большую часть исследований по борьбе с вымиранием, сделала приоритетом разработку таких средств. Это позволило бы проводить крупномасштабную амплификацию ПГК диких птиц (возможно, в том числе находящихся под угрозой исчезновения птиц) и предложило бы платформу для модификации генов, которая могла бы помочь вернуть к жизни вымершие виды.

“Культивирование - это сложная задача”, - говорит Мари-Сесиль Ван де Лавуар, вице-президент по операциям компании Ligand Pharmaceuticals, которая в исследовании 2006 года внедрила эту технику на цыплятах, разработав первые культуры модифицированных ПГК, особо не отличающиеся от своего фенотипа. У нее есть несколько связанных патентов в этой области, и она предоставила первоначальные технико-экономические обоснования для возрождения и продолжения внедрения своих методов по борьбе с вымиранием птиц. “До сих пор я не видела системы культивирования ни у одного другого вида, кроме цыплят, которая показывает желаемую эффективность, - говорит она. - У каждого вида птиц свои требования к культуре. И мы еще не знаем, каковы эти требования”.

Опыты на перистом тетереве

Розмари Уолзем, биохимик по питанию из Техасского университета A&M, вместе с небольшой командой студентов и аспирантов пытается исправить это.

“Мы начинаем с места, где есть по крайней мере жизнеспособная технология, а затем мы обращаемся к родственнику курицы, перистому тетереву (Tympanuchus cupido pinnatus), - говорит Уолзем. - И как только техника культивирования зародышевых клеток стабилизируется у перистого тетерева, стратегия затем будет распространена на близкородственный, вымерший подвид куропатки”.

Вересковая курица

Обитавшая в кустарниках восточного побережья и песчаных долинах Северной Америки вересковая курица (T. cupido cupido) была основным продуктом питания до середины девятнадцатого века. Эта птица была настолько распространена, что натуралист Томас Натталл сообщал в 1832 году, что “слуги договорились со своими хозяевами не приносить к столу вересковую курицу чаще, чем несколько раз в неделю”.

Резкое снижение численности вересковых кур

Неограниченная охота, болезни и другие факторы давления привели к резкому снижению численности вересковых кур. К 1870 году на прибрежных островах остались лишь остатки популяций. Ознаменовав собой раннюю попытку сохранения природы, в 1908 году был создан заповедник вересковых кур; здесь любители птиц собирались возле мест спаривания, называемых лексами, или бум-граундами, чтобы стать свидетелями экстравагантных брачных танцев самцов. Птицы топали ногами, вытягивали два роговидных пера прямо над большими разноцветными воздушными мешками на шеях и испускали каскад гулких звуков. Последняя курица, известная местным жителям как бум-бен, была замечена в 1932 году.

Взаимный интерес к модификации геномов птиц принес Уолзем грант от Revive & Restore для работы над де-вымиранием этого вида. Первым шагом в попытке вернуть вересковую курицу было создание племенной популяции перистых тетеревов в Техасе A&M. Перистый тетерев имеет почти такую же морфологию, как и его меньший, вымерший кузен, и хотя он исчез из большей части своего доколумбового ареала, его все еще можно найти в 10 штатах. После успешного перевода от заводчика в их новый вольер в Texas A&M стая из восьми птиц произвела 66 яиц в течение последнего брачного сезона в 2020 году.

Условия выращивания первичных половых клеток

"Следующий шаг, чтобы продвинуть проект вперед, - это создать условия, в которых мы сможем надежно выращивать первичные половые клетки в культуре”, - говорит Уолзем. С этой целью ПГК извлекают из донорских эмбрионов перистых рябчиков и культивируют в пробирке, где они могут быть воспроизведены. В этом состоянии ПГК легко доступны для манипуляций, включая редактирование генома, которое может в будущем ввести генетические последовательности, скопированные с вымерших видов. Затем клетки вводят в развивающийся суррогатный куриный эмбрион, откуда они мигрируют в половые органы. Когда суррогат вылупляется и в конечном итоге размножается, сперматозоид и яйцеклетка его потомства содержат геном эмбриона донора куропатки, а также любые генетические изменения, внесенные учеными.

В технике передачи культивируемых зародышевых клеток ПГК извлекаются из донора и культивируются в среде, где они также могут подвергаться генному редактированию. Затем ПГК вводят в эмбрионы-реципиенты, которые вырастают в зародышевые химеры. Когда химеры размножаются, донорские геномы передаются потомству.

Первоначальные попытки размножить и расширить ПГК перистых тетеревов, полученные из эмбрионов, не увенчались успехом в двух различных типах сред.

“Могут существовать сотни молекул, которые должны быть вовлечены в программирование клетки”, - объясняет Уолзем. Чтобы понять питательные потребности ПГК и разработать лучший рецепт для их поддержки in vitro, исследователь проводит широкую сеть экспериментов с доступными условиями среды. Она планирует использовать аналитические платформы, такие как метаболомика и цитокиновые массивы, чтобы понять, почему зародышевые клетки процветают и усиливаются в одних средах, а не в других.

Признаки стадий развития клеток в среде

Отслеживая сигнальные молекулы, называемые цитокинами, Уолзем будет искать признаки стадий развития клеток в среде, чтобы определить, в какой момент они продолжают развиваться или останавливаются. Вместе с профилем метаболитов цитокины могли бы дополнительно точно определить необходимые ингредиенты для оптимальной среды PGC. Или, наоборот, ее команда может обнаружить то, что в первую очередь мешает зародышевым клеткам процветать.

Следующий шаг

Если техасская команда A&M преуспеет в культивировании зародышевых клеток перистого тетерева, следующим шагом в передаче зародышевой линии будет введение этих клеток в кровоток куриного эмбриона-хозяина в течение точного временного окна, которое позволит клеткам поселиться и занять гонады эмбриона, а затем нормально развиваться в виде сперматозоидов или яйцеклеток.