Para hacer un mamífero, necesitas un huevo y un esperma. Históricamente, estos dos insumos genéticos requeridos han significado la falla en el lanzamiento para los intentos de producir descendencia de acoplamientos macho-macho o hembra-hembra. Pero al difuminar los límites entre el óvulo y el esperma con alteración genética, los científicos ahora nos ayudan a romper las reglas de reproducción de los mamíferos.
Ayer, en la revista Cell Stem Cell, un equipo de investigadores de la Academia de Ciencias de China informó el nacimiento de crías sanas a padres de ratones del mismo sexo. Al modificar los genomas de los óvulos para parecerse a los de los espermatozoides, y viceversa, los científicos pudieron superar un obstáculo importante en la reproducción biológica. Los cachorros de las uniones femenino-femenino sobrevivieron hasta la edad adulta, incluso se convirtieron en madres, y los bebés de corta duración fueron recibidos por un dúo papá-papá.
"Esto es increíblemente impresionante", dice Ava Mainieri, bióloga que estudia la genética de la reproducción en la Universidad de Harvard. "Esta tecnología tiene aproximadamente un millón de implicaciones para el futuro".
Los investigadores pudieron superar un desafío de larga data para producir mamíferos con padres de un solo sexo. Típicamente, un embrión de mamífero necesita dos genomas, cada uno con un manuscrito de instrucciones genéticas de la madre o el padre. De esta manera, el feto hereda dos copias de cada gen individual. Pero para muchos genes, la copia de mamá o de papá queda en silencio. Se pueden cerrar regiones enteras de un genoma, mientras que esas mismas partes del código genético del otro progenitor permanecen intactas.
"Si los nucleótidos del ADN son un texto, [estas modificaciones naturales] pueden considerarse espacios o signos de puntuación que dan significado a un texto tan complicado", explica Mainieri, que no participó en la investigación.
Una orgullosa mamá ratón con su descendencia. El ratón madre de esta foto nació de dos madres y vivió lo que los científicos consideraron una vida normal y saludable. (Le-Yun Wang / Academia China de Ciencias) El desafío es que estos espacios y signos de puntuación en cada genoma deben alinearse correctamente, algo que ocurre naturalmente con los padres hombre-mujer. Este fenómeno meticuloso se llama impresión genómica, y es fundamental para la reproducción de mamíferos. Si las copias de ambos padres de uno de estos genes normalmente "impresos" se activan accidentalmente, las consecuencias pueden ser desastrosas, produciendo fetos que aumentan de tamaño, luchan por adquirir nutrientes o incluso no llegan a término.
Para los científicos que intentan criar mamíferos con padres del mismo sexo, el proceso necesario de impresión genómica presenta un obstáculo importante. A mediados del siglo XX, cuando los científicos hicieron algunos de los primeros intentos de producir embriones de ratón con dos genomas femeninos, la matemática de fusionar óvulos no tardó mucho en complicarse. Ambas mitades de las instrucciones genéticas reflejaban la impronta materna, desactivando y activando las mismas regiones del genoma, y sin la parte paterna de la ecuación, algunos genes se sobreexpresaban, mientras que otros nunca se activaban correctamente.
Más recientemente, una cohorte de investigadores de la Academia de Ciencias de China dirigida por los autores principales Wei Li, Qi Zhou y Bao-Yang Hu decidió probar un nuevo conjunto de herramientas para abordar el problema. Maximizar sus posibilidades de producir descendencia sana de padres del mismo sexo significaba comenzar con las células menos impresas posibles, células que todavía no tenían puntuación en el código genético. Entonces, los investigadores generaron un conjunto inusual de óvulos y espermatozoides al borrar algunas de las marcas impresas en el genoma, esencialmente haciendo retroceder el reloj de estas células reproductivas hasta que se parecían al primer borrador no editado del manuscrito genético.
Armados con un arsenal de células "limpias", los investigadores se propusieron criar ratones bimaternos. Para imitar la masculinidad, agregaron su propia versión de impresión paterna a un óvulo limpio, eliminando tres regiones impresas conocidas de su genoma. Esta técnica esencialmente eliminó párrafos o capítulos enteros del manuscrito genético del óvulo, convirtiéndolo en una célula reproductiva que funcionaba más como un esperma. Luego inyectaron la célula recién manipulada en un huevo normal de otra ratón hembra.
Para su sorpresa, el 14 por ciento de estos embriones bimaternos, 29 ratones en total, nacieron hembras sanas (sin un cromosoma Y en la mezcla reproductiva, los machos no tenían ninguna garantía). Varios de los ratones bimaternos incluso crecieron para dar a luz a sus propios cachorros sanos (esta vez a través de un medio de concepción más natural). Hasta donde los investigadores pudieron ver, los ratones huérfanos eran saludables física y conductualmente, pero Zhou señala que puede haber deficiencias en estos ratones que el equipo aún no ha descubierto.
Un desafío aún mayor se avecinaba: los ratones bipaternos. Un cachorro de ratón con dos madres había sido criado por primera vez en 2004 (aunque con tasas de éxito mucho más bajas que el trabajo más reciente logrado). Los ratones sin padre eran, en cierto modo, viejas noticias. Los ratones sin madre, por otro lado, serían "increíbles", dice Hugo Creeth, cuyo trabajo no afiliado en la Universidad de Cardiff también se centra en la impresión genética.
Según la bióloga del desarrollo de la Universidad de Pensilvania, Marisa Bartolomei, uno de los principales desafíos de dar a luz a un ratón con material genético de dos machos es que hay que imprimir mucho más en el genoma de la madre para que se una correctamente con el de papá. El trabajo adicional requerido para que un genoma masculino se comporte como un genoma femenino puede ser parte de la razón por la que la reproducción unisex en la naturaleza se inclina hacia los acoplamientos hembra-hembra. (Si bien algunos reptiles, anfibios y peces son capaces de aparearse solo con hembras, solo una especie, el pez cebra, ha producido crías sin aporte materno, y solo en un laboratorio).
"[Parece que] en comparación con la reproducción bimaternal, se deben cruzar más obstáculos en la barrera de reproducción bipaternal", dice Li.
A pesar de los desafíos, los investigadores pudieron generar descendencia viva usando solo ADN de dos padres varones. Una célula de esperma modificada tenía seis regiones genéticas eliminadas para que se pareciera más a un genoma femenino, y luego se combinó con esperma normal dentro de un óvulo femenino vacío. (Vacío o no, todavía es necesario un recinto eggy para unir espermatozoides y espermatozoides). Estos extraños embriones híbridos, cáscaras de huevo literales que contienen dosis dobles de ADN paterno, se transfirieron a una madre sustituta de ratones.
Los científicos pueden criar ratones con dos padres, pero nacen con defectos graves y no sobreviven hasta la edad adulta. (Le-Yun Wang / Academia China de Ciencias) Poco más del uno por ciento de la descendencia sobrevivió. Lamentablemente, todos los cachorros nacieron con defectos graves y murieron casi de inmediato. Sin embargo, cuando los investigadores eliminaron una séptima región impresa de las células de esperma editadas, duplicaron la tasa de supervivencia. Los cachorros todavía no llegaron a la edad adulta, pero aun así, el método había funcionado y la viabilidad de corta duración de la descendencia era monumental.
"Esto realmente muestra que la impresión es el bloque para el desarrollo uniparental", dice Bartolomei. "Lo hemos sabido desde la perspectiva materna, pero ahora, con los bipaternals, es el primero".
Según Li, el siguiente paso es mejorar la longevidad de los ratones bipaternos. Todavía no está claro qué es lo que está matando a los ratones con dos padres genéticos: es posible que haya otras regiones críticamente impresas que aún necesitan ser "manejadas" genéticamente ", dice Bartolomei.
De hecho, es un poco sorprendente que tan pocas manipulaciones genéticas fueran suficientes para transformar el genoma de un sexo en algo parecido al otro. Se cree que hay más de 150 genes impresos en ratones, y la lista sigue creciendo, pero no todos estos genes son críticos para la descendencia viva.
Si bien la novedosa técnica de modificación genética funcionó para criar ratones de un solo sexo, Mainieri advierte que requeriría un "gran, gran paso" para repetir estos experimentos en otros mamíferos, incluidos los humanos. Aunque Li, Zhou, Hu y sus colegas están ansiosos por pasar algún día a los primates, no hay garantía de que los márgenes en el manuscrito genético de una especie se traduzcan fácilmente en los de otra.
Aún así, estos nuevos hallazgos significan un gran avance en la comprensión de los científicos sobre el papel de la impronta genómica en la reproducción de mamíferos. Además, hay varios trastornos que se derivan de la impronta inadecuada en el genoma, por lo que incluso si los bebés sin madre o sin padre no están en el horizonte, simplemente comprender estas peculiaridades genéticas podría cambiar nuestro enfoque de la medicina.
"Con este conocimiento, tenemos la capacidad de leer las oraciones o párrafos [del texto genómico] de una manera que nunca antes habíamos tenido", dice Mainieri. "Y eso es enorme".
