U ludzi zapłodnione jajo nie gwarantuje sukcesu reprodukcyjnego. Większość embrionów przestaje się rozwijać i ginie w ciągu kilku dni po zapłodnieniu, zwykle z powodu nieprawidłowej liczby chromosomów. Teraz naukowcy z Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons odkryli, że większość tych błędów wynika z spontanicznych błędów w replikacji DNA we wczesnej fazie podziału komórki.
Odkrycia dostarczają nowych informacji na temat podstawowej biologii reprodukcji człowieka i w dłuższej perspektywie mogą doprowadzić do poprawy wskaźnika powodzenia zapłodnienia in vitro (IVF). Badanie zostało opublikowane 19 lipca w czasopiśmie Cell.
Trudne zadanie dla wczesnych embrionów
Około 24 godziny po zapłodnieniu komórki jajowej rozpoczyna się proces podziału komórek. Podczas podziału komórki cały genom – 46 chromosomów zawierających ponad 3 miliardy par zasad DNA – musi być wiernie zduplikowany. Zduplikowane zestawy chromosomów muszą być następnie rozdzielone, aby każda komórka potomna otrzymała kompletny zestaw.
W wielu ludzkich embrionach stworzonych do zapłodnienia in vitro coś idzie nie tak i niektóre komórki w zarodku mają za mało lub za dużo chromosomów.
„Powielanie genomu jest trudnym zadaniem dla wczesnego embrionu” – mówi kierownik badań dr Dieter Egli, adiunkt Maimonides w dziedzinie biologii komórek rozwojowych (w pediatrii) na Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons.
Naukowcy od dawna snuli teorię, że błędy pojawiają się w końcowej fazie podziału komórki, kiedy zduplikowane zestawy chromosomów rozdzielają się na dwie identyczne komórki potomne. Większość tych niepowodzeń przypisywano problemom z wrzecionem mikrotubul, aparatem, który rozdziela dwa zestawy chromosomów.
Jednak badania Egli wykazały, że nieprawidłowości chromosomalne wynikają z błędów, które pojawiają się znacznie wcześniej w procesie podziału komórki, gdy DNA genomu jest duplikowane. Jego badania wykazały, że jeśli DNA nie jest dokładnie kopiowane, wrzeciono działa nieprawidłowo i umieszcza niewłaściwą liczbę chromosomów w każdej komórce potomnej. Gdy duplikacja DNA jest nieprawidłowa, wrzeciono nie działa normalnie. „To zostało w dużej mierze przeoczone w poprzednich badaniach – bo dlaczego embrion miałby pozwalać na naruszenie integralności genomu, skoro jest to tak krytyczny wymóg dla normalnego rozwoju?” mówi Egli.
Chociaż badania przeprowadzono na embrionach utworzonych na szalce Petriego – w tym od osób poddawanych zapłodnieniu in vitro i dawców komórek jajowych, którzy nie szukali leczenia bezpłodności – te same problemy mogą przyczynić się do niepowodzenia embrionów powstałych w wyniku naturalnego rozmnażania się człowieka.
Wskazówki dotyczące źródła błędów DNA
Źródłem błędów kopiowania DNA w embrionach wydają się być przeszkody w podwójnej helisie DNA. Chociaż dokładna przyczyna tych przeszkód nie jest jeszcze znana, powodują one zatrzymanie lub nawet zatrzymanie duplikacji DNA, co skutkuje pękaniem DNA i nieprawidłową liczbą chromosomów.
Naukowcy odkryli, że spontaniczne błędy DNA mogą wystąpić już w pierwszym cyklu podziału komórki w ludzkich embrionach, a także w kolejnych podziałach komórkowych. Jeśli zbyt wiele komórek we wczesnym zarodku jest dotkniętych anomaliami chromosomowymi, zarodek nie może się dalej rozwijać.
zapłodnienie in vitro
Większość ludzkich embrionów stworzonych do zapłodnienia in vitro przestaje się rozwijać w ciągu kilku dni po zapłodnieniu. Ta nieefektywność rozwoju człowieka jest przeszkodą w skutecznym leczeniu bezpłodności.
„Wiele kobiet przechodzących leczenie bezpłodności wymaga wielu cykli zapłodnienia in vitro, aby zajść w ciążę, a niektóre w ogóle nie zachodzą w ciążę. Jest to nie tylko niezwykle drogie, ale także obciążające emocjonalnie” – mówi dr Jenna Turocy, specjalistka ds. płodności z Columbia University Fertility Center i współautor opracowania.
Naukowcy planują dodatkowe badania dotyczące uszkodzeń DNA podczas replikacji w nadziei na zrozumienie normalnych i powodujących choroby zmian w ludzkiej linii zarodkowej. W dłuższej perspektywie badania te mogą doprowadzić do opracowania metod zmniejszania ryzyka nieprawidłowości genetycznych i utraty zarodków u pacjentów poddawanych zapłodnieniu in vitro.
Więcej informacji
Badanie nosi tytuł „Stres replikacyjny upośledza segregację chromosomów i rozwój przedimplantacyjny w ludzkich embrionach”.
Pozostali współpracownicy (wszystkie z Kolumbii, o ile nie zaznaczono inaczej) to: Katherine L. PalmerolaSelma Amrane, Alexander De Los Angeles, Shuangyi Xu, Ning Wang, Joao de Pinho, Michael V. Zuccaro, Angelo Taglialatela, Dashiell J. Massey (Columbia and Cornell University) , Alex Robles, Anisa Subbiah, Bob Prosser, Rogerio Wolf, Alberto Ciccia, Amnon Koren (Cornell) i Timour Baslan (Memorial Sloan Kettering Cancer Center).
Badania te zostały wsparte nagrodą NYSCF-Robertson Stem Cell Investigator oraz grantami przyznanymi przez Amerykańsko-Izraelską Binational Science Foundation, Columbia Stem Cell Initiative, American Society for Reproductive Medicine, stypendium John M. Driscoll Jr. Children’s Fund Scholarship oraz przez Program Fundacji Russell Berrie w terapiach komórkowych.
Dieter Egli jest członkiem rady redakcyjnej Cell.