Автор: Prof C Greg Lutz
Стаття від: 21 серпня 2024 року
Погляд на деякі нові технології, які обіцяють врятувати зникаючі види риб, а також потенціал для прискорення генетичного вдосконалення в аквакультурі.
Розширення меж генетичних технологій може допомогти зберегти зникаючі види © Eric Boulommie
Збереження генетичних ресурсів зникаючих водних видів набуває все більшого значення в останні роки. Завдяки досягненням науки кріоконсервування стало досить легко заморозити сперму багатьох водних видів, але зрілі яйцеклітини та ембріони, що розвиваються, – це інша історія, принаймні для риб.
Порівняно великий розмір, високий вміст жовтка і обмежена проникність мембрани зазвичай ускладнюють або унеможливлюють їх кріоконсервування, але в останні роки було продемонстровано життєздатний обхідний шлях. Тканини та/або клітини, які в кінцевому підсумку розвиваються в риб’ячі яйцеклітини, можна кріоконсервувати, потім розморозити і трансплантувати стерильним рибам-реципієнтам. Ці сурогатні реципієнти можуть належати до того ж виду, споріднених видів або, в деяких випадках, абсолютно неспоріднених. Коли все працює, у риб-реципієнтів розвиваються функціональні чоловічі або жіночі гамети з генетичним матеріалом від оригінального донора. Як результат, цей підхід пропонує явні переваги для збереження видів, що перебувають під загрозою зникнення або зникають.
Наука (спрощено)
Ці нові напрямки у збереженні водних біоресурсів зосереджені на використанні зародкових клітин і стовбурових клітин статевих залоз, причому останні стають основним матеріалом для роботи з рибами. Не вдаючись до надмірних подробиць, стовбурові клітини – це, по суті, недиференційовані клітини, які можуть розмножуватися на багато інших клітин того ж типу, залишатися в стані спокою або диференціюватися, щоб взяти на себе певні функції. Різні тканини і органи, в тому числі тканини статевих залоз риб, зазвичай містять певну кількість стовбурових клітин, які можуть розвиватися в нові, диференційовані клітини. Якщо коротко підсумувати походження тканин статевих залоз, то на дуже ранній стадії розвитку риб’ячих ембріонів можна виділити два основні типи клітин: статеві та соматичні клітини. У той час як соматичні клітини починають формувати весь організм, статеві клітини знаходять свій шлях до тканин, які стануть яєчниками або сім’яниками, і починають активно розмножуватися.
Якщо стовбурові клітини гонад (або відповідні сперматогоніальні або оогоніальні тканини) риб-донорів можуть бути кріоконсервовані та успішно відновлені, вони можуть бути введені сурогатним особам, де вони будуть функціонувати так само, як статеві клітини, мігруючи у відповідне внутрішню локацію і розвиваючись у функціональні гонади (Yoshizaki and Lee 2018; https://doi.org/10.1016/j.scr.2018.03.015). Риб-реципієнтів заздалегідь стерилізують або шляхом індукції триплоїдії, або шляхом пригнічення власних гонадних клітин. У багатьох випадках реципієнти можуть належати до різних видів. Коли реципієнти належать до іншого виду, ніж донор, навіть якщо вони є близькими родичами, їх називають «ксеногенами». Результати останніх досліджень підтверджують, що цей підхід є потужним новим інструментом для збереження генетичних ресурсів ряду видів риб.
Чи це справді працює?
У 2010 році Lacerda et al. (https://doi.org/10.1371/journal.pone.0010740) повідомили про спроби провести трансплантацію сперматогоніальних стовбурових клітин тилапії. Вони трансплантували свіжі або кріоконсервовані стовбурові клітини одного штаму тилапії попередньо стерилізованим самцям іншого штаму. Кріоконсервовані стовбурові клітини перетворилися на сперматозоїди в рибах-реципієнтах з рівнем колонізації 88 відсотків. Самці-реципієнти в кінцевому підсумку виробляли життєздатні сперматозоїди і давали потомство з генотипом штаму-донора.
Того ж року Yoshizaki et al. продемонстрували, що при трансплантації щойно вилупленим малькам статеві клітини яєчників райдужної форелі з часом диференціюються в яйцеклітини у реципієнтів-жінок і сперматозоїди у реципієнтів-самців. Подібні результати були отримані і в інших риб, і ця пластичність на основі реципієнтів може також забезпечити альтернативний підхід до одностатевого розведення ряду видів.
Дослідження показують, що створення ксеногенів може стати новим потужним генетичним інструментом для збереження природи© Greg Lutz
У 2012 році Lee et al. змогли пересадити попередньо замороженісперматагонії триплоїдній райдужній форелі. Майже половина цих риб виробляли функціональні яйцеклітини або сперматозоїди, залежно від їх фенотипової статі, які при поєднанні давали нормальне потомство. Аналогічно, у 2016 році Lee and Yoshizaki продемонстрували кріоконсервацію, розморожування та трансплантацію клітин яєчок зникаючого линка гостроносого (Brachymystax lenok) реципієнтам триплоїдних мальків того ж виду. Пересаджені сперматогонії мігрували і були включені в гонадну тканину триплоїдів, причому в одних реципієнтів розвивалися зрілі сім’яники, а в інших – зрілі яєчники. Слід зазначити, що в реальних умовах ці підходи вимагають залучення декількох донорів стовбурових клітин, щоб мінімізувати вплив інбридингу, оскільки ксеногени одного донора можуть поєднуватися лише з ксеногенами інших донорів.
Рухаючись далі з іншими видами риб, що перебувають під загрозою зникнення, Psenicka et al. (2016; https://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2016.02.005) використовували тканини сім’яників і яєчників на ранній стадії та клітини сибірського осетра для оцінки різних протоколів обробки та заморожування. Як ціла тканина, так і окремі (виокремлені) клітини продемонстрували хорошу виживаність після розморожування. При пересадці в личинки стерляді через 90 діб вони розмножувались більш ніж у половини реципієнтів. І далі розсуваючи межі філогенетичної дистанції між донорами та реципієнтами, Silva et al. (2016) успішно трансплантували сперматогоніальні стовбурові клітини сома Джундії (Rhamdia quelen) самцям нільської тілапії. Самці тиляпії були стерилізовані перед пересадкою за допомогою високих температур та ін’єкцій бісульфану. Через 120 днів після процедури всі риби-реципієнти почали виробляти сперму.
Звичайний короп є одним із видів, які найбільше вирощуються у внутрішніх водах, і протягом сотень років було виведено доволі багато різних порід. Висловлювалися побоювання, що деякі з цих «реліктових» порід можуть бути втрачені, якщо їх не зберегти. Працюючи з оогоніальними клітинами, Franek et al. (2019) (https://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2019.01.016) надали ретельний огляд процедур кріоконсервації для збереження генетичних ресурсів цього виду. Цікаво, що незрілі донори з ранніми стадіями розвитку яєчників забезпечили найкращі результати кріоконсервації, ймовірно, через те, що їхні клітини все ще мають достатній рівень проникності мембрани. Yaraş і Çek-Yalniz (2021): Indian Journal of Experimental Biology, Vol. 59, August 2021, pp. 530-538) також повідомили про більший успіх при виділенні оогоніальних стовбурових клітин із молоді струмкової форелі, приблизно 15 см завдовжки.
Нещодавно Ye et al. (2020) розробили процедуру кріоконсервації стовбурових клітин статевих залоз американського веслоноса та осетра Янцзи (корейського осетра: Acipenser dabryanus). Через рік у кріоконсервованому сховищі ці клітини розморозили та пересадили в личинки осетрових риб, де вони були успішно включені. Ці висновки разом із висновками Psenicka et al. (2016), є особливо обнадійливими, якщо взяти до уваги, що Міжнародний союз охорони природи вважає приблизно 80 відсотків видів осетрових і веслононосих, що вижили в усьому світі, перебувають під загрозою зникнення або у критичному стані.
Зціджування ікринок канального сома для виробництва гібридів © Dr Chris Green
Витрифікація («склування») за допомогою голки
У біомедичних дослідженнях використовують тисячі різних ліній рибок даніо, і щомісяця розробляється все більше. З кінцевою метою більш ефективного збереження зародкової плазми рибок даніо Marinović et al. (2018) представили життєздатний метод кріоконсервації ранніх стадій зародкових клітин рибок даніо з використанням сперматогоніїв і вітрифікації за допомогою зануреної голки(NIV). У подальшому дослідженні група представила більше результатів NIV з високими показниками успіху. NIV пропонує певні переваги при кріоконсервації невеликих зразків тканин. Вимоги до кріопротекторів зменшуються, оскільки зразки тканин закріплюють на акупунктурній голці, поміщають у кріопротекторне середовище, потім виймають і поміщають у вітрифікаційний розчин, а потім занурюють безпосередньо в рідкий азот. Кілька тих же дослідників з групи Marinović et al. , що брали участь у згаданих вище дослідженнях, вже повідомляли про оптимізацію протоколів NIV для тканини яєчників лососевих риб у 2017 році, зокрема тканини молодих яєчників струмкової форелі. А в 2022 році деякі науковці з тієї ж дослідницької групи повідомили про використання NIV з використанням тканини яєчників у осетрових Acipenser ruthenus і A. gueldenstaedtii. Розморожені клітини успішно колонізували статеві залози риб-реципієнтів, і результати підтвердили, що NIV є додатковим інструментом для збереження зникаючих видів осетрових.
Виробництво продукції аквакультури
Окрім ініціатив щодо збереження, використання сурогатного плідника пропонує низку потенційних переваг для генетичного покращення в аквакультурі. Риби з чудовими чи унікальними рисами можуть постачати клітини для трансплантації багатьом реципієнтам, що значно покращує виробництво відібраного потомства. Також можливо використовувати види-реципієнти з відносно короткими інтервалами між поколіннями, щоб прискорити програми відбору для видів-донорів, яким потрібен більший час для досягнення зрілості. А коли потрібні гібридні виробничі запаси, ксеногенні технології можуть запропонувати практичну альтернативу широкомасштабному штучному нересту.
У США аквакультура сома стала значною мірою покладатися на гібридні стада, створені з використанням самців блакитного сома (Ictalurus furcatus) і самок канального сома (I. punctatus). Ці гібриди мають чудові характеристики щодо росту, кормового коецієнту та опірності до хвороб. На жаль, їх необхідно штучно створювати в риборозвіднях через поведінкову несумісність, яка призводить до обмеженого та в основному ненадійного примусового нересту між батьківськими видами. І, оскільки статеві продукти самців блакитного сома не можуть бути зціджені, особини мають бути умертвлені в процесі штучного відтворення, значно збільшуючи річну потребу в самцях маточного поголів’я. Дослідники з Обернського університету почали оцінювати використання ксеногенних методів для вирішення цієї ситуації кілька років тому, і їхній прогрес був вражаючим.
Запліднення яйцеклітин канального сома молочком блакитного сома для виробництва гібридів © Dr Chris Green
Perera et al. (2017) оприлюднили перший звіт про ксеногенне виробництво гібридів канального х блакитного сомів, хоча й з дуже обмеженими результатами. Вони пересадили сперматогонії блакитного сома триплоїдному самцю канального сома, а через два роки вони зібрали сперму з одного з цих ксеногенів і успішно використали її для запліднення ікринок канального сома, що призвело до появи гібридного потомства. Незабаром після цього Shang et al. повідомили про виділення та успішну трансплантацію зародкових клітин сім’яників блакитного сома в бластули канального сома. Отримані ксеногенні самці канального сома, теоретично, зможуть природним чином спаровуватися з самками канального сома щороку після досягнення зрілості, створюючи гібридне потомство в комерційних кількостях.
Ще до 2020 року Abualreesh et al. розробили та оприлюднили надійний протокол для заморожування сперматогоній блакитного сома з додатковими уточненнями в 2021 році. Розуміючи, що заморожені стовбурові клітини в сховищах матимуть реальний потенціал для розвитку промислового виробництва гібридного сома, дослідники з Auburn’ського університету продовжували працювати, і до 2022 року Hettiarachchi et al. продемонстрували виробництво ксеногенів канального сома з використанням кріоконсервованих тканин сім’яників і яєчників блакитного сома.
Ці дослідження в Auburn (Оберн) тривають, методи та протоколи постійно вдосконалюються, але також можуть з’явитися деякі нові застосування цих методик. Яйцеклітини риби зазвичай не вважають особливо цінним товаром, за винятком продукції кав’яру. Особливо кав’яру з ікри осетрових. У 2023 році Jacob Al-Armanazi захистив магістерську роботу в Оберні. Одним з напрямів його досліджень була трансплантація оогоніальних і сперматогоніальних стовбурових клітин з озерного осетра (Acipenser fulvescens) в триплоїдного гібридного сома (білий сом (Ameiurus catus) x блакитний сом (Ictalurus furcatus) і з сибірського осетра в триплоїдного канального сома. Майже 89 відсотків гібридних сомів-реципієнтів продемонстрували проліферацію (розмноження) стовбурових клітин озерного осетра, і хоча результати не були настільки вражаючими для канального сома, стовбурові клітини сибірського осетра збереглися майже у 77 відсотків реципієнтів..
Висновуючи, можна напевно стверджувати, що у міру того, як наше розуміння та майстерність застосування ксеногенезу в рибі прогресує, це може мати результатом отримання низки переваг. Консервація та збереження зародкової плазми й надалі залишатиметься серйозною проблемою в усьому світі для всіх, хто працює з видами риб, що перебувають під загрозою зникнення, а також для низки секторів комерційної аквакультури. У найближчі роки кріоконсервація та подальша трансплантація гонадних стовбурових клітин набудуть все більшого значення для багатьох видів риб.
Посилання на оригінал статті: Xenogens: a new frontier for aquatic conservation
