ES2309989T3 - Oocitos inactivados que son receptores de citoplastos para transferencia nuclear. - Google Patents
Oocitos inactivados que son receptores de citoplastos para transferencia nuclear. Download PDFInfo
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Abstract
SE DESCRIBE UN PROCEDIMIENTO PARA RECONSTITUIR UN EMBRION ANIMAL QUE IMPLICA LA TRANSFERENCIA DE UN NUCLEO DIPLOIDE HACIA EL INTERIOR DE UN OOCITO QUE ESTA DETENIDO EN LA METAFASE DE LA SEGUNDA DIVISION MEIOTICA. EL OOCITO NO SE ACTIVA HASTA EL MOMENTO DE LA TRANSFERENCIA, DE FORMA QUE EL NUCLEO DONANTE SE MANTIENE EXPUESTO AL CITOPLASMA RECEPTOR DURANTE UN PERIODO DE TIEMPO. EL NUCLEO DIPLOIDE PUEDE SER DONADO POR UNA CELULA EN FASE G0 O G1 DEL CICLO CELULAR EN EL MOMENTO DE LA TRANSFERENCIA. POSTERIORMENTE SE ACTIVA EL EMBRION RECONSTITUIDO. SE MANTIENE LA CORRECTA PLOIDIA DURANTE LA ACTIVACION, POR EJEMPLO, INCUBANDO EL EMBRION RECONSTITUIDO EN PRESENCIA DE UN INHIBIDOR DE MICROTUBULOS, TAL COMO NOCODAZOL. ENTONCES EL EMBRION RECONSTITUIDO PUEDE DAR LUGAR A UNO O MAS NACIMIENTOS DE ANIMALES VIVOS. LA INVENCION RESULTA UTIL PARA LA PRODUCCION DE ANIMALES TRANSGENICOS, ASI COMO DE ANIMALES NO TRANSGENICOS CON ELEVADAS VENTAJAS GENETICAS.
Description
Oocitos inactivados que son receptores de
citoplastos para transferencia nuclear.
Esta invención se refiere a la generación de
mamíferos no humanos incluyendo, pero no limitado a mamíferos no
humanos genéticamente seleccionados y/o modificados, y a células
útiles para su generación.
La reconstrucción de embriones de mamíferos no
humanos por la transferencia de un núcleo donante no humano a un
ovocito enucleado no humano o un cigoto de célula no humana permiten
producir individuos genéticamente idénticos. Esto tiene ventajas
claras tanto para la investigación (es decir, como controles
biológicos) como también en aplicaciones comerciales (es decir,
multiplicación de ganado genéticamente valioso, uniformidad de
productos de carne, gestión de animales).
La reconstrucción de embriones por transferencia
nuclear se propuso por primera vez (Spemann, Embryonic
Development and Induction 210-211 Hofner
Publishing Co., New York (1938)) con el fin de contestar a la
pregunta de equivalencia nuclear o ¿cambian los núcleos durante el
desarrollo? Mediante la transferencia de núcleos de estados
embrionarios cada vez más desarrollados, estos experimentos se
diseñaron para determinar en que punto los núcleos están limitados
para su potencial de desarrollo. Debido a limitaciones técnicas y a
la desafortunada muerte de Spemann, estos estudios no se
completaron hasta 1952, cuando se demostró en la rana que algunos
núcleos podían dirigir el desarrollo a un adulto sexualmente maduro
(Briggs and King, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 38
455-461 (1952)). Sus descubrimientos condujeron al
concepto actual de que los núcleos totipotentes equivalentes de un
solo individuo, cuando se transfieren a un huevo enucleado, podrían
dar lugar a individuos "genéticamente idénticos". En el
verdadero sentido del significado, estos individuos no serían clones
puesto que pueden variar contribuciones citoplasmáticas desconocidas
en cada uno y también habría que demostrar la ausencia de cualquier
reorganización cromosómica.
Desde la demostración de la clonación de
embriones en anfibios, se han aplicado técnicas similares a especies
de mamíferos. Estas técnicas entran en dos categorías:
1) transferencia de un núcleo donante a un
ovocito en metafase II madurado al que se le ha quitado su ADN
cromosómico, y
2) transferencia de un núcleo donante a un
cigoto de una célula fertilizada al que se le han quitado ambos
pronúcleos. En los ungulados el primer procedimiento ha sido el
método elegido, ya que no se ha descrito el desarrollo usando el
último, más que cuando los pronúcleos se intercambian.
La transferencia del núcleo donante al
citoplasma del ovocito normalmente se logra induciendo la fusión
celular. En los ungulados la fusión se induce por aplicación de un
pulso eléctrico DC a lo largo del plano de contacto/fusión de la
pareja. El mismo pulso que induce la fusión celular también activa
el ovocito receptor. Después de la reconstrucción del embrión, el
posterior desarrollo depende de un gran número de factores que
incluyen la capacidad del núcleo para dirigir el desarrollo, es
decir, totipotencia, competencia para el desarrollo del citoplasto
receptor (es decir, maduración de ovocito), activación de ovocito,
cultivo del embrión (revisado, Campbell and Wilmut en Vth World
Congress on Genetics as Applied to Livestock 20
180-187 (1994)).
Además de lo anterior, se ha demostrado que el
mantenimiento de la ploidía correcta durante le primero ciclo
celular del embrión reconstruido tiene una gran importancia
(Campbell et al., Biol. Reprod. 49
933-942 (1993); Campbell et al., Biol.
Reprod. 50 1385-1393 (1994)). Durante un solo
ciclo celular debe replicarse todo el ADN genómico solo una vez
antes de la mitosis. Si algo del ADN no se replica o se replica más
de una vez, entonces la ploidía de ese núcleo en el momento de la
mitosis será incorrecta. Los mecanismos por los que la replicación
está restringida a una vez durante cada ciclo celular no están
claros, sin embargo, algunas líneas de investigación han implicado
que el mantenimiento de una membrana nuclear intacta es crucial para
este control. Los sucesos morfológicos que se producen en el núcleo
donante después de la transferencia a un ovocito en metafase II
enucleado se han estudiado en una serie de especies que incluyen el
ratón (Czolowiska et al., J. Cell Sci. 69
19-34 (1984)), conejo (Collas and Robl, Biol.
Reprod. 45 455-455 (1991)), cerdo (Prather et
al., J. Exp. Zool. 225 355-358 (1990)),
vaca (Kanka et al., Mol. Reprod. Dev. 29
110-116 (1991)). Inmediatamente tras la fusión, la
envuelta del núcleo donante se rompe (REND) y los cromosomas
condensan prematuramente (CCP). Estos efectos son catalizados por
una actividad citoplasmática denominada factor promotor de
maduración/mitosis/meiosis (MPF). Esta actividad se encuentra en
todas las células mitóticas y meióticas, y llega a una actividad
máxima en la metafase. Los ovocitos de mamífero maduros se detienen
en la metafase de la 2ª división meiótica (metafase II) y tienen
una actividad de MPF alta. Tras la fertilización o activación, la
actividad de MPF disminuye, la segunda división meiótica se completa
y el segundo cuerpo polar es extruido, entonces la cromatina se
descondensa y se produce la formación pronuclear. En la
transferencia nuclear, los embriones se reconstruyen cuando los
niveles de MPF son altos y se produce la REND y CCP; cuando la
actividad de MPF disminuye a estos sucesos les sigue la
descondensación de la cromatina y reformación nuclear y posterior
replicación del ADN. En los embriones reconstruidos la ploidía
correcta se puede mantener en una de dos formas; primero, por
transferencia de núcleos en una etapa definida del ciclo nuclear, p.
ej., núcleos diploides de células en G1, a ovocitos en metafase II
en el momento de la activación; o segundo por activación del
ovocito receptor y transferencia del núcleo donante después de la
desaparición de la actividad de MPF. En ovejas este último
procedimiento ha dado un aumento de la frecuencia de desarrollo a la
etapa de blastocito de 21% a 55% de los embriones reconstruidos
cuando se usaban blastómeros de embriones de 16 células como
donantes nucleares. (Campbell et al., Biol. Reprod. 50
1385-1393 (1994)).
Estas mejoras en la frecuencia de desarrollo de
embriones reconstruidos no humanos todavía no han abordado la
cuestión de la reprogramación nuclear. Durante el desarrollo algunos
genes quedan "silenciados", es decir, son alterados de modo
que yo no son transcritos. Los estudios de silenciamiento han
mostrado que este "silenciamiento" se suprime durante la
formación de la célula germinal (es decir, se reprograma). Una
posibilidad es que esta reprogramación esté afectada por la
exposición de la cromatina a factores citoplasmáticos que están
presentes en las células que experimentan meiosis. Esto plantea la
cuestión de cómo se puede mimetizar esta situación durante la
reconstrucción de embriones por transferencia nuclear con el fin de
reprogramar el reloj del desarrollo del núcleo donante.
Ahora se ha encontrado que la transferencia
nuclear a un ovocito no humano detenido en la metafase II puede dar
lugar a un embrión no humano viable si se mantiene la ploidía normal
(es decir, diploidía) y si el embrión no humano no es activado en el
momento de la transferencia nuclear. El retraso en la activación
permite que el núcleo no humano permanezca expuesto al citoplasma
del receptor no humano.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un método para reconstituir un embrión de
mamífero no humano, comprendiendo el método transferir un núcleo
diploide diferenciado no humano a un ovocito enucleado no humano que
está detenido en la metafase de la segunda división meiótica, sin
activar simultáneamente el ovocito, mantener el núcleo expuesto al
citoplasma del receptor no humano durante un periodo de tiempo
suficiente para que el embrión sea capaz de dar lugar a un nacido
vivo, y posteriormente activar el embrión reconstituido mientras se
mantiene la ploidía correcta. En esta etapa, el embrión
reconstituido no humano es una sola célula.
En principio, esta invención es aplicable a
todos los animales no humanos, en especial mamíferos no humanos, en
particular mamíferos placentarios, para los que se prevé actualmente
la mayor aplicabilidad comercialmente útil. Es probable que la
invención sea más útil con ungulados, en particular ungulados
económicamente importantes tales como ganado, ovejas, cabras,
búfalos de agua, camellos y cerdos, como medio para clonar animales
y como medio para generar animales transgénicos. También debe
indicarse que también es probable que la invención sea aplicable a
otras especies de animales no humanos económicamente importantes
tales como, por ejemplo, caballos, llamas o roedores, p. ej. ratas o
ratones, o conejos.
La invención también se puede aplicar en la
producción de mamíferos no humanos transgénicos, así como no
transgénicos. Los animales no humanos transgénicos se pueden
producir a partir de células donantes no humanas genéticamente
alteradas. El procedimiento general tiene una serie de ventajas
frente a los procedimientos convencionales para producir mamíferos
no humanos transgénicos (es decir, genéticamente modificados), que
se pueden resumir como sigue:
(1) serán necesarios menos receptores no
humanos;
(2) se pueden generar múltiples fuentes
singénicas usando células donantes clonales no humanas;
(3) está permitida la sutil alteración genética
mediante manipulación dirigida de genes;
(4) todos los animales no humanos producidos a
partir de embriones preparados por la invención transmitirán la
modificación genética importante a través de la línea germinal, ya
que cada animal no humano deriva de un solo núcleo; en contraste,
la producción de animales transgénicos no humanos por inyección
pronuclear o quimerismo después de inclusión de poblaciones de
células madres no humanas por inyección de blastocito produce una
proporción de animales no humanos mosaico en los que no todas las
células contienen la modificación y pueden no transmitir la
modificación a través de la línea germinal; y
(5) las células no humanas se pueden
seleccionar por el sitio de la modificación genética (p. ej.,
integración) antes de la generación del animal completo.
Hay que indicar que el término
"transgénico", en relación con mamíferos no humanos, no debe
considerarse que esté limitado a la referencia a mamíferos no
humanos que contienen en su línea germinal uno o más genes de otra
especie, aunque muchos mamíferos no humanos transgénicos contendrán
dicho gen o genes. Antes bien, el término se refiere más
ampliamente a cualquier mamífero no humano cuya línea germinal haya
sido objetivo de intervención técnica por tecnología de ADN
recombinante. Así, por ejemplo, un mamífero no humano en cuya línea
germinal se haya suprimido, duplicado, activado o modificado un gen
endógeno, es un mamífero no humano transgénico para el propósito de
esta invención, tanto como un mamífero no humano en cuya línea
germinal se ha añadido una secuencia de ADN exógena.
En realizaciones de la invención en las que el
mamífero no humano es transgénico, el núcleo donante no humano está
genéticamente modificado. El núcleo donante no humano puede contener
uno o más transgenes y la modificación genética puede tener lugar
antes de la transferencia nuclear y reconstitución del embrión no
humano. Aunque se puede usar la microinyección, análoga a la
inyección en el pronúcleo masculino no humano o femenino no humano
de un cigoto como método de modificación genética, la invención no
está limitada por esta metodología: también se pueden usar técnicas
de transformación de masa o transfección, p. ej. electroporación,
transfección vírica o lipofección.
En el método de la invención descrito antes, se
transfiere un núcleo diploide no humano de un donante no humano a
un ovocito receptor enucleado no humano. Son necesarios donantes que
sean diploides en el momento de la transferencia con el fin de
mantener la polidía correcta del embrión reconstituido; por lo
tanto, los donantes pueden estar en la fase G1 o preferiblemente,
como es el caso de la solicitud de patente PCR de los autores de la
invención en tramitación junto con la presente nº PCT/GB96/02099
presentada hoy (que reivindica la prioridad de GB 9517780.4), en la
fase G0 del ciclo celular.
El ciclo celular mitótico tiene cuatro fases
distintas, G, S, G2 y M. El suceso inicial en el ciclo celular,
llamado inicio, se produce en la fase G1 y tiene una función
única. La decisión o misión de experimentar otro ciclo celular se
hace en el inicio. Una vez que una célula ha pasado por el
inicio, pasa por el resto de la fase G1, que es la fase de
presíntesis de ADN. La segunda etapa, la fase S, es cuando se
produce la síntesis de ADN. A esta le sigue la fase G2 que es el
periodo entre la síntesis de ADN y la mitosis. La propia mitosis
ocurre en la fase M. Las células quiescentes (que incluyen células
en las que la quiescencia se ha inducido así como aquellas células
que son quiescentes naturales, tales como algunas células
completamente diferenciadas) normalmente se considera que no están
en ninguna de estas cuatro fases del ciclo; normalmente se describe
como que están en un estado G0, para indicar así que no progresarían
normalmente a través del ciclo. Los núcleos de células G0
quiescentes, como los núcleos de células G1 tienen un contenido de
ADN diploide; y en la presente invención se pueden usar ambos
núcleos diploides.
En relación con lo anterior, se cree que no hay
limitación significativa en las células no humanas que se pueden
usar en donantes de núcleos: se pueden usar células total o
parcialmente diferenciadas o células no diferenciadas, así como
células que se cultivan in vitro o extraídas ex vivo.
La única limitación es que las células donantes no humanas tengan
contenido de ADN normal y sean cariotípicamente normales. Se
describe una fuente preferida de células en la solicitud de patente
PCT de los autores de la invención en tramitación junto con la
presente nº PCT/GB95/02095, publicada como WO 96/07732. Se cree que
todas dichas células no humanas normales contienen toda la
información genética necesaria para la producción de un mamífero no
humano adulto. La presente invención permite que esta información se
proporcione al embrión no humano en desarrollo alterando la
estructura de cromatina de modo que el material genético pueda
redirigir el desarrollo.
Las células receptoras no humanas útiles en la
invención son ovocitos no humanos enucleados que están detenidos en
la metafase de la segunda división meiótica. En la mayoría de los
vertebrados, la maduración del ovocito continúa in vivo a
esta etapa bastante final del proceso de maduración del huevo y
entonces se detiene. En la ovulación, el ovocito detenido se libera
del ovario (y si se produce la fertilización, el ovocito es
estimulado naturalmente para completar la meiosis). En la práctica
de la invención, los ovocitos pueden hacerse madurar in vitro
o in vivo y se recogen cuando aparece el primer cuerpo polar
o tan pronto como sea posible después de la ovulación,
respectivamente.
Más recientemente, se han usado diferentes
procedimientos para intentar separar los cromosomas con un mínimo de
citoplasma. Se ha encontrado que la aspiración del primer cuerpo
polar y el citoplasma vecino elimina el aparato de la metafase II en
el 67% de los ovocitos de oveja. (Smith & Wilmut, Biol.
Reprod. 40 1027-1035 (1989)). Sólo el uso del
método del fluorocromo específico de ADN (Hoechst 33342)
proporcionaba la enucleación garantizada con la mínima reducción en
el volumen de citoplasma (Tsunoda et al., J. Reprod.
Fertil. 82 173 (1988)). En especies de ganado, probablemente
este es el procedimiento rutinario usado actualmente (Prather &
First J. Reprod. Fertil. Suppl. 41 125 (1990), Westhusin
et al., Biol. Reprod. (Suppl.) 42 176 (1990)).
Ha habido pocas publicaciones de procedimientos
no invasivos para la enucleación en mamíferos, mientras que en
anfibios se usa la irradiación con luz ultravioleta como un
procedimiento rutinario (Gurdon Q., J. Microsc. Soc. 101
299-5 311 (1960)). No hay publicaciones detalladas
del uso de este procedimiento en mamíferos, aunque durante el uso
del fluorocromo específico de ADN se ha indicado que la exposición
de ovocitos de ratón a la luz ultravioleta durante más de 30
segundos reducía el potencial de desarrollo de la célula (Tsunoda
et al., J. Reprod. Fertil. 82 173 (1988)).
Como se ha descrito antes, la enucleación se
puede lograr físicamente, mediante la eliminación real del núcleo,
pronúcleo o placa de la metafase no humanos (dependiendo de la
célula receptora), o funcionalmente, tal como por la aplicación de
radiación ultravioleta u otro factor para la enucleación.
Después de la enucleación, el núcleo donante no
humano se introduce por fusión en células donantes no humanas en
condiciones que no inducen la activación del ovocito, o por
inyección en condiciones no activantes. Con el fin de mantener la
ploidía correcta del embrión no humano reconstruido, el núcleo
donante no humano debe ser diploide (es decir, en la fase Go o G1
del ciclo celular) en el momento de la fusión.
Una vez se han preparado las células donante no
humana y receptora no humana, es necesario transferir el núcleo no
humano de la primera a esta última. De forma más conveniente, la
transferencia nuclear se efectúa por fusión. La activación no debe
tener lugar en el momento de la fusión.
Tres métodos establecidos que se han usado para
inducir la fusión son:
(1) exposición de células a productos químicos
que promueven la fusión, tales como polietilenglicol;
(2) el uso de virus inactivado, tal como virus
Sendai; y
(3) el uso de estimulación eléctrica.
La exposición de las células a productos
químicos que promueven la fusión tales como polietilenglicol u otros
glicoles es un procedimiento rutinario para la fusión de células
somáticas, pero no se ha usado ampliamente con embriones. Puesto que
el polietilenglicol es tóxico, es necesario exponer las células
durante un periodo mínimo y la necesidad de poder eliminar el
producto químico rápidamente puede hacer necesario la eliminación de
la zona pelúcida (Kanka et al., Mol. Reprod. Dev. 29
110-116 (1991)). En experimentos con embriones de
ratón, el virus Sendai inactivado proporciona un medio eficaz para
la fusión de células de embriones en etapa de división (Graham
Wistar, Inst. Symp. Monogr. 9 19 (1969)), con la ventaja
experimental adicional de que no se induce activación. En los
ungulados, la fusión normalmente se logra mediante la misma
estimulación eléctrica que se usa para inducir la activación
partenogenética (Willadsen, Nature 320 (6)
63-65 (1986), Prather et al., Biol.
Reprod. 37 859-866 (1987)). En estas especies,
el virus Sendai induce la fusión en una proporción de los casos,
pero no es suficientemente fiable para la aplicación rutinaria
(Willadsen, Nature 320 (6) 63-65 (1986)).
Aunque la fusión célula-célula
es un método preferido para efectuar la transferencia nuclear, no es
el único método que se puede usar. Otras técnicas adecuadas incluyen
la microinyección (Ritchie and Campbell, J. Reproduction and
Fertility, Abstract Series No. 15, p60).
En una realización preferida de la invención, la
fusión de la pareja ovocito y carioplasto no humanos, se lleva a
cabo en ausencia de activación por electropulsación en solución de
manitol 0,3 M o solución de sacarosa 0,27 M; alternativamente, el
núcleo no humano se puede introducir por inyección en un medio sin
calcio. La edad de los ovocitos no humanos en el momento de la
fusión/inyección y la ausencia de iones calcio del medio de
fusión/inyección, evitan la activación del ovocito receptor.
En la práctica, es mejor enuclear y llevar a
cabo la transferencia tan pronto como sea posible después de que el
ovocito no humano alcance la metafase II. El momento en el que esto
ocurre después del inicio de la maduración (in vitro) o del
tratamiento hormonal (in vivo) dependerá de la especie. Para
el ganado u ovejas, la transferencia nuclear debe tener lugar
preferiblemente en 24 horas; para cerdos, en 48 horas; ratones, en
12 horas; y conejos en 20-24 horas. Aunque la
transferencia se puede tener lugar más tarde, se hace cada vez más
difícil lograrlo a medida que el ovocito envejece. También es
deseable una actividad alta de MPF.
Posteriormente, el embrión reconstruido no
humano fusionado, que generalmente se devuelve al medio de
maduración, se mantiene sin ser activado de modo que el núcleo
donante no humano se expone al citoplasma del receptor durante un
periodo de tiempo suficiente para permitir que el embrión no humano
reconstruido sea capaz, finalmente, de dar lugar a un nacido vivo
(preferiblemente de una descendencia fértil).
El periodo de tiempo óptimo antes de la
activación varía de una especie a otra y se puede determinar
fácilmente mediante experimentación. Para el ganado, es adecuado un
periodo de 6 a 20 horas. El periodo de tiempo probablemente no
debería ser menor que el que permita la formación de cromosomas, y
no debería ser tan largo que la pareja se activara espontáneamente,
o en casos extremos que muriera.
Cuando es el momento de la activación, se puede
usar cualquier protocolo de activación convencional u otro adecuado.
Experimentos recientes han demostrado que los requisitos para la
activación partenogenética son más complicados de lo que se había
imaginado. Se había supuesto que la activación es un fenómeno de
todo o nada y que el gran número de tratamientos que podían inducir
la formación de un pronúcleo producían todos "activación". Sin
embargo, la exposición de ovocitos de conejo a pulsos eléctricos
repetidos, puso de manifiesto que sólo la selección de una serie de
adecuada de pulsos y el control del Ca^{2+} eran capaces de
promover el desarrollo de ovocitos diploidizados a media gestación.
(Ozil, Development 109 117-127 (1990)).
Durante la fertilización hay aumentos transitorios repetidos de
concentración de calcio intracelular (Cutbertson & Cobbold,
Nature 315 541-542 (1985)) y se cree que los
pulsos eléctricos producen aumentos análogos en la concentración de
calcio. Hay pruebas de que el patrón de calcio transitorio varía con
la especie y se puede anticipar que el patrón óptimo de pulsos
eléctricos variará de una forma similar. El intervalo entre pulsos
en el conejo es aproximadamente 4 minutos (Ozil, Development
109 117-127 (1990)), y en el ratón 10 a 20 minutos
(Cutbertson & Cobbold, Nature 316 541-542
(1985)), mientras que hay observaciones preliminares en la vaca de
que el intervalo es aproximadamente 20 a 30 minutos (Robl et
al., en Symposium on Cloning Mammals by Nuclear Transplantation
(Seidel ed.), Colorado State University, 24-27
(1992)). En la mayoría de los experimentos publicados la activación
se indujo con un solo pulso eléctrico, pero nuevas observaciones
sugieren que la proporción de embriones reconstruidos que se
desarrollan aumenta por exposición a varios pulsos (Collas &
Robl, Biol. Reprod. 43 877-884 (1990)). En
cualquier caso individual se pueden hacer ajustes rutinarios para
optimizar el número de pulsos, la fuerza del campo y la duración de
los pulsos y la concentración de calcio del medio.
En la práctica de la invención, la ploidía
correcta debe mantenerse durante la activación. Es conveniente
inhibir o estabilizar la polimerización de microtúbulos con el fin
de prevenir la producción de múltiples pronúcleos, para mantener así
la ploidía correcta. Esto se puede lograr por la aplicación de un
inhibidor de microtúbulos tal como nocodazol con una concentración
eficaz (tal como aproximadamente 5 \mug/ml). La colquicina y
colcemida son otros inhibidores de microtúbulos. Alternativamente,
se podría usar un estabilizador de microtúbulos, tal como, por
ejemplo, taxol.
El componente molecular de los microtúbulos
(tubulina) está en un estado de equilibrio dinámico entre los
estados polimerizado y no polimerizado. Los inhibidores de
microtúbulos tales como el nocodazol previenen la adición de
moléculas de tubulina a los microtúbulos, alterando así el
equilibrio y conduciendo a la despolimerización de microtúbulos y
destrucción del huso. Es preferible añadir el inhibidor de
microtúbulos un tiempo suficiente antes de la activación para
asegurar la despolimerización completa o casi completa de los
microtúbulos. Es probable que veinte a treinta minutos sea
suficiente en la mayoría de los casos. Un estabilizador de
microtúbulos tal como el taxol previene la rotura del huso y por lo
tanto también puede prevenir la producción de múltiples pronúcleos.
El uso de un estabilizador de microtúbulos preferiblemente es en
condiciones similares a las usadas para los inhibidores de
microtúbulos.
El inhibidor o estabilizador de microtúbulos
debe permanecer presente después de la activación hasta la formación
de los pronúcleos. Debe separarse después, y en cualquier caso antes
de que se produzca la primera división.
En una realización preferida de la invención, a
las 30-42 horas después del inicio de la maduración
(bovina y ovina, es decir, 6-18 horas después de la
transferencia nuclear), los ovocitos no humanos reconstruidos se
ponen en medio que contiene nocodazol (5 \mug/ml) y se activan
usando protocolos convencionales. La incubación en nocodazol se
puede continuar durante 4-6 horas después del
estímulo de activación (dependiendo de la especie y la edad del
ovocito).
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, se proporciona un método para preparar un mamífero no
humano, comprendiendo el procedimiento:
(a) reconstituir un embrión de mamífero no
humano como se ha descrito antes; y
(b) hacer que se desarrolle un mamífero no
humano hasta el final a partir del embrión; y
(c) opcionalmente, reproducción del mamífero no
humano así formado.
La etapa (a) se ha descrito antes con
profundidad.
La segunda etapa, la etapa (b) en el método de
este aspecto de la invención es hacer que se desarrolle un mamífero
no humano hasta el final a partir del embrión. Esto se puede hacer
directa o indirectamente. En el desarrollo directo, el embrión no
humano reconstituido de la etapa (a) se deja simplemente que se
desarrolle sin ninguna intervención más allá de cualquiera que
pueda ser necesaria para que se produzca el desarrollo. Sin
embargo, en el desarrollo indirecto el embrión no humano puede ser
manipulado más antes de que tenga lugar el desarrollo completo. Por
ejemplo, el embrión no humano puede escindirse y las células
expandirse clonalmente, con el propósito de mejorar el
rendimiento.
Alternativa o adicionalmente, se puede lograr
aumentar los rendimientos de embriones no humanos viables mediante
la presente invención por expansión clonal de donantes no humanos
y/o si se usa el proceso de transferencia (nuclear) seriada. La
limitación en la tasa de formación de blastocitos no humanos lograda
hasta ahora puede deberse al hecho de que una mayoría de los
embriones no humanos no se "reprograman" (aunque lo hace un
número aceptable). Si este es el caso, entonces la tasa se puede
mejorar como sigue. Cada embrión no humano que se desarrolla por sí
mismo se puede usar como un donante nuclear no humano en la etapa
celular 32-64; alternativamente, se pueden usar
células de la masa celular interna en la etapa de blastocito. Si
estos embriones no humanos reflejan realmente los que tienen
expresión génica reprogamada y esos núcleos están de hecho
reprogramados (como parece probable), entonces cada embrión no
humano en desarrollo puede multiplicarse de esta forma por la
eficacia del proceso de transferencia nuclear. El grado de
potenciación que probablemente puede lograrse, depende del tipo de
célula. En ovejas, se puede obtener fácilmente 55% de embriones en
estado de blastocito por transferencia de un solo blastómero de un
embrión de 16 células a un ovocito "receptor universal"
preactivado. Por lo tanto es razonable plantear la hipótesis de que
cada embrión no humano desarrollado a partir de una sola célula
podría dar lugar a ocho en la etapa de 16 células. Aunque estas
cifras son sólo una guía somera, está claro que en las etapas de
desarrollo finales, el alcance del beneficio dependerá de la
eficacia del procedimiento en esa etapa.
Aparte de la cuestión de la viabilidad de
mejorar el rendimiento, el embrión no humano reconstituido puede
cultivarse in vivo o in vitro a blastocito.
La experiencia sugiere que los embriones no
humanos obtenidos por transferencia nuclear son diferentes de los
embriones normales y a veces se benefician o incluso requieren
condiciones de cultivo in vivo distintas de aquellas en las
que los embriones normalmente se cultivan (al menos in vivo).
No se conoce la razón de esto. En la multiplicación rutinaria de
embriones bovinos, los embriones reconstituidos (muchos de ellos de
una vez) se han cultivado en oviductos de oveja durante 5 a 6 días
(como describe Willadsen, en Mammalian Egg Transfer (Adams,
E.E., ed.) 185 CRC Press, Boca Raton, Florida (1982)). Sin embargo,
en la práctica de la presente invención, con el fin de proteger el
embrión no humano, se sumergirá preferiblemente en un medio
protector tal como agar antes de transferirlo y después se
diseccionará del agar después de recuperarlo del receptor no humano
temporal. La función del agar u otro medio protector es doble:
primero, actúa como una ayuda estructural para el embrión no humano
manteniendo junta la zona pelúcida; y segundo, actúa como una
barrera para las células no humanas del sistema inmunitario del
animal receptor. Aunque este procedimiento aumenta la proporción de
embriones no humanos que forman blastocitos, tiene la desventaja de
que se puede perder una serie de embriones.
Si se usan condiciones in vitro, las que
se usan habitualmente en la técnica son bastante aceptables.
En la etapa de blastocito, puede cribarse el
embrión no humano para que sea adecuado para el desarrollo hasta el
final. Normalmente, esto se hará cuando el embrión no humano es
transgénico y se ha llevado a cabo el cribado y selección de
integrantes estables. También puede llevarse a cabo en esta etapa el
cribado de marcadores genéticos no transgénicos. Sin embargo, puesto
que el método de la invención permite cribar los donantes no humanos
en una etapa anterior, en general se preferirá esto.
Después del cribado, si ha tenido lugar el
cribado, se deja que el embrión blastocito se desarrolle hasta el
final. Esto en general se hará in vivo. Si el desarrollo
hasta blastocito ha tenido lugar in vitro, entonces la
transferencia al animal no humano receptor final tiene lugar en esta
etapa. Si el desarrollo del blastocito ha tenido lugar in
vivo, aunque en principio el blastocito no humano puede dejarse
desarrollar hasta el final en el hospedante del preblastocito, en la
práctica normalmente el blastocito se sacará del receptor del
preblastocito (temporal) y después de disección del medio protector,
se transferirá al receptor del postblastocito (permanente).
En la etapa opcional (c) de este aspecto de la
invención, los mamíferos no humanos pueden reproducirse a partir del
mamífero no humano preparado por las etapas precedentes. De esta
forma, un mamífero no humano puede usarse para establecer una manada
o rebaño de mamíferos no humanos que tienen la o las características
genéticas deseadas.
Los mamíferos no humanos producidos por
transferencia de núcleos no humanos de una fuente de células no
humanas genéticamente idénticas, comparten el mismo núcleo, pero no
son estrictamente idénticos puesto que derivan de diferentes
ovocitos humanos. La importancia de este origen diferente no esta
clara, pero puede afectar a las características comerciales. El
análisis reciente del ADN mitocondrial de vacas lecheras en el Iowa
State University Breeding Herd puso de manifiesto la asociación con
la leche y el rendimiento reproductivo (Freeman & Beitz, en
Symposium on Cloning Mammals by Nuclear Transplantation
(Seidel, G. E. Jr., ed.) 17-20, Colorado State
University, Colorado (1992)). Queda por confirmar que hay efectos
similares en toda la población de ganado y considerar si es posible
o es necesario en situaciones específicas considerar la selección de
ovocitos no humanos. En el campo de la reproducción de ganado, la
capacidad de producir un gran número de embriones no humanos a
partir de donantes con gran importancia genética puede tener un
considerable valor potencial en la propagación de la mejora genética
por los rebaños nacionales. La escala de aplicación dependerá del
coste de cada embrión y la proporción de embriones transferidos que
pueden desarrollarse hasta el final.
A modo de ilustración y resumen, el siguiente
esquema expone un procedimiento típico por el cual se pueden
preparar mamíferos no humanos transgénicos y no transgénicos. Se
puede considerar que el procedimiento implica cinco etapas:
(1) aislamiento de células donantes diploides no
humanas;
(2) opcionalmente, transgénesis, por ejemplo por
transfección con construcciones adecuadas, con o sin marcadores
seleccionables;
(2a) opcionalmente cribado y selección de
integrantes estables - omitir para microinyección;
(3) reconstitución del embrión no humano por
transferencia nuclear;
(4) cultivo, in vivo o in vitro, a
blastocito;
(4a) opcionalmente cribado y selección de
integrantes estables - omitir si se ha hecho 2a - y otras
características deseadas;
(5) transferencia si es necesario al receptor no
humano final.
Este protocolo tiene una serie de ventajas
frente a métodos previamente publicados de transferencia
nuclear:
1) La cromatina del núcleo donante no humano se
puede exponer al citoplasma meiótico del ovocito receptor no humano
en ausencia de activación durante periodos de tiempo adecuados.
Esto puede aumentar la "reprogramación" del núcleo donante no
humano alterando la estructura de la cromatina.
2) La ploidía correcta del embrión no humano
reconstruido se mantiene cuando se transfieren los núcleos en
G0/G1.
3) Estudios previos han mostrado que la
sensibilidad a la activación de ovocitos bovinos/ovinos aumenta con
la edad. Un problema que se ha observado previamente es que en
oocitos envejecidos no enucleados se produce la duplicación de los
cuerpos polares del huso meiótico y se observan husos multipolares.
Sin embargo, se describe que en embriones no humanos reconstruidos y
mantenidos con niveles altos de MPF, aunque se produce la rotura de
la envuelta nuclear y la condensación de la cromatina, no se observa
huso organizado. Los cromosomas condensados prematuramente
permanecen en un haz apretado, y por lo tanto puede aprovecharse el
proceso de envejecimiento y aumentar la respuesta a la activación
del ovocito no humano reconstruido sin afectar adversamente la
ploidía del embrión no humano reconstruido.
Las características preferidas de cada aspecto
de la invención lo son para cualquier otro aspecto, cambiando lo que
haya que cambiar.
La invención ahora se describirá con referencia
a los ejemplos que acompañan que se proporcionan con el propósito de
ilustrar y no debe considerarse que sean limitantes de la presente
invención. En la siguiente descripción se hace referencia al dibujo
que acompaña, en el que:
La Figura 1 muestra la tasa de maduración de
ovocitos bovinos in vitro.
Los ovocitos receptores objeto de este
procedimiento experimental se denominan receptores MAGIC (por sus
siglas en ingles Metaphase Arrested G1/G0 AcceptIng
Cytoplast, citoplasto receptor de G1/G0 detenido en
metafase).
Se estudiaron los sucesos nucleares y
citoplasmáticos durante la maduración del ovocito in vitro.
Además, también se investigaron las funciones de la fusión y
activación en embriones reconstruidos a diferentes edades. Los
estudios han mostrado que la maduración del ovocito es asíncrona;
sin embargo, se puede hacer una selección morfológica de una
población de ovocitos maduros a las 18 horas (Figura 1).
En la figura 1 los ovarios se obtuvieron de un
matadero local y se mantuvieron a 28-32ºC durante el
transporte al laboratorio. Se aspiraron los complejos
cúmulo-ovocito (COC) de folículos de
3-10 mm de diámetro usando una aguja hipodérmica
(1,2 mm de diámetro interno) y se pusieron en recipientes
universales de plástico estéril. Los recipientes universales se
pusieron en una cámara caliente (35ºC) y se dejó que el material
folicular se depositara durante 10-15 minutos antes
de verter tres cuartos del líquido sobrenadante. El material
folicular que quedaba se diluyó con un volumen igual de medio de
disección (TCM 199 con sales de Earles (Gibco), kanamicina 75,0
mg/l, Hepes 30,0 mM, pH 7,4, osmolaridad 280 mOsmol/kg de H_{2}O)
complementado con suero bovino al 10%, se transfirió a una placa
petri de 85 mm y se buscaron los COC con un microscopio
estereoscópico.
Se seleccionaron complejos con al menos
2-3 capas compactas de células cúmulo, se lavaron
tres veces en medio de disección y se transfirieron a medio de
maduración (medio TC 199 con sales de Earles (Gibco), kanamicina
75,0 mg/l, Hepes 30,0 mM, NaHCO_{3} 7,69 mM, pH 7,8, osmolaridad
280 mOsmol/kg de H_{2}O) complementado con suero bovino al 10% y
1x10^{6} células de la granulosa/ml y se cultivaron en una mesa
basculante a 39ºC en una atmósfera de CO_{2} al 5% en aire. Se
sacaron los ovocitos del disco de maduración y se montaron húmedos
en portaobjetos de vidrio limpiados con etanol con cubreobjetos que
se unieron usando una mezcla de vaselina al 5% y cera al 95%.
Después, los embriones montados se fijaron durante 24 horas en
metanol:ácido acético glacial (3:1) recién preparado, se tiñeron con
aceto-orceína al 45% (Sigma) y se examinaron
mediante contraste de fase y microscopio DIC usando un Nikon
Microphot-SA, la gráfica de la figura 1 muestra el
porcentaje de ovocitos en MII y aquellos con un cuerpo polar
visible.
Si la maduración después se continúa hasta 24
horas, estos ovocitos se activan con una tasa muy baja (24%) en
manitol que contiene calcio (Tabla 1a). Sin embargo, la eliminación
de calcio y magnesio del medio de electropulsación evita cualquier
activación.
La Tabla 1a muestra la activación de ovocitos
foliculares bovinos madurados in vitro durante diferentes
periodos. Se sacaron los ovocitos del medio de maduración, se
lavaron una vez en medio de activación, se pusieron en la cámara de
activación y se les aplicó un solo pulso eléctrico de 1,25 kV/cm
durante 80 \mus.
\vskip1.000000\baselineskip
La Tabla 1b muestra la respuesta a la activación
de ovocitos bovinos madurados in vitro enucleados falsos
aproximadamente 22 horas después de inicio de la maduración (hpm,
horas postmaduración). Los ovocitos se trataron exactamente como
para la enucleación, se aspiró un pequeño volumen de citoplasma que
no contenía placa de la metafase. Después de manipulación, se aplicó
a los ovocitos un solo pulso DC de 1,25 kV/cm y se devolvieron al
medio de maduración, a las 30 hpm y 42 hpm se montaron grupos de
ovocitos, se fijaron y se tiñeron con aceto-orceína.
Los resultados muestran el número de ovocitos en cada punto de
tiempo de cinco experimentos individuales como el número de células
que tienen pronúcleos con respecto al número total de células.
La Tabla 2 muestra la formación pronuclear en
ovocitos enucleados fusionados con fibroblastos bovinos primarios
(24 hpm) y posteriormente activados (42 hpm). Los resultados
representan cinco experimentos separados. Los ovocitos se dividieron
en dos grupos, el grupo A se incubó en nocodazol durante 1 hora
antes de la activación y durante 6 horas después de la activación.
El grupo B no se trató con nocodazol. Los ovocitos activados se
fijaron y se tiñeron con aceto-orceína 12 horas
después de activación. Después se anotó el número de pronúcleos (NP)
en cada partenote mediante contraste de fase. Los resultados se
expresan como el porcentaje de ovocitos activados que contienen 1 o
más pronúcleos.
\vskip1.000000\baselineskip
La ausencia de un huso organizado y la ausencia
de un cuerpo polar sugieren que con el fin de mantener la ploidía en
el embrión reconstruido sólo se debería transferir un núcleo
diploide, es decir G0/G1, en esta situación citoplasmática. La
incubación de ovocitos activados en presencia del inhibidor de
microtúbulos nocodazol durante 5 horas, 1 hora antes de y después
del estímulo de activación previene la formación de micronúcleos
(Tabla 2), y así cuando el núcleo donante está en la fase G0/G1 del
ciclo celular se mantiene la ploidía correcta del embrión
reconstruido.
Estos resultados muestran que:
i) estos ovocitos pueden ser enucleados a las 18
horas después del inicio de la maduración (Figura 1);
ii) los ovocitos enucleados se pueden fusionar
con blastómeros/células donantes en manitol 0,3 M o sacarosa 0,27 M,
alternativamente las células o núcleos donantes se pueden inyectar
en medio sin calcio en ausencia de cualquier respuesta de
activación;
iii) los embriones reconstruidos o los ovocitos
pulsados enucleados se pueden cultivar en medio de maduración y no
experimentan activación espontánea;
iv) se ve que el núcleo transferido experimenta
rotura de la envuelta nuclear (REN) y condensación de cromosomas. No
se observa huso meiótico/mitótico organizado independientemente de
la etapa del ciclo celular del núcleo transferido;
v) dichas parejas manipuladas se activarán a las
30 horas y 42 horas con una frecuencia igual a los ovocitos testigo
no manipulados;
vi) no se observa cuerpo polar después de la
subsiguiente activación, independientemente de la etapa del ciclo
celular del núcleo transferido;
vii) tras la subsiguiente activación se forman
1-5 micronucleos por cigoto reconstruido (Tabla
2).
En experimentos prelimares esta técnica se ha
aplicado a la reconstrucción de embriones bovinos usando
fibroblastos primarios sincronizados en la fase G0 del ciclo celular
por privación de suero durante cinco días. Los resultados se resumen
en la Tabla 3.
La Tabla 3 muestra el desarrollo de embriones
bovinos reconstruidos por transferencia nuclear de fibroblastos
primarios bovinos (G0) privados de suero a ovocitos MII inactivados
enucleados. Los embriones se reconstruyeron 24 hpm y las parejas
fusionadas se activaron a las 42 hpm. Las parejas fusionadas se
incubaron en nocodazol (5 \mug/ml) en medio M2 durante 1 hora
antes de la activación y 5 horas después de la activación. Las
parejas se activaron con un solo pulso DC de 1,25 kV/cm durante 80
\mus.
También se han hecho observaciones similares a
las del Ejemplo 1 en ovocitos ovinos que se han hecho madurar in
vivo. Se pueden recoger ovocitos recién ovulados por barrido de
los oviductos de ovejas superestimuladas 24 horas después de
tratamiento con prostaglandina. El uso de PBS/FCS al 1,0% sin calcio
ni magnesio como medio de barrido evita la activación del ovocito.
Los ovocitos se pueden enuclear en medio sin calcio y las células
donantes se introducen como antes en ausencia de activación. No se
observa huso organizado, se forman múltiples núcleos tras la
subsiguiente activación y esto se puede suprimir mediante
tratamiento con nocodazol.
En experimentos preliminares en ovejas, una sola
gestación ha dado como resultado el nacimiento de un solo cordero
vivo. Los resultados se resumen en las Tablas 4 y 5.
La Tabla 4 muestra el desarrollo de embriones
ovinos reconstruidos por transferencia de una línea celular
establecida derivada de embrión a ovocitos ovinos madurados in
vivo enucleados e inactivados. Los ovocitos se obtuvieron de
ovejas caranegra escocesas superestimuladas, la línea celular se
estableció a partir del disco embrionario de un embrión de 9 días
obtenido de una oveja galesa de montaña. Los embriones reconstruidos
se cultivaron en el oviducto ligado de una oveja receptora temporal
durante 6 días, se recuperaron y se evaluó el desarrollo.
La Tabla 5 muestra la inducción de preñez
después de transferencia de todos los embriones reconstruidos en
etapa de mórula/blastocito a la trompa uterina de ovejas caranegra
receptoras finales sincronizadas. La tabla muestra el número total
de embriones para cada grupo transferido y la frecuencia de preñez
en términos de ovejas y embriones, en la mayoría de los casos se
transfirieron 2 embriones a cada oveja. Se estableció una sola
gestación doble que dio como resultado el nacimiento de un solo
cordero vivo.
Claims (11)
1. Un método para reconstituir un embrión de
mamífero no humano, comprendiendo el procedimiento transferir un
núcleo diploide diferenciado no humano a un ovocito enucleado no
humano que está detenido en la metafase de la segunda división
meiótica sin activación simultánea del ovocito, mantener el núcleo
no humano expuesto al citoplasma del receptor no humano durante un
periodo de tiempo suficiente para que el embrión no humano sea capaz
de dar lugar un nacido vivo, y posteriormente activar el embrión
reconstituido mientras que se mantiene la ploidía correcta.
2. Un método según la reivindicación 1, en el
que el mamífero no humano es una especie ungulada.
3. Un método según la reivindicación 2, en el
que el mamífero no humano es una vaca o toro, cerdo, cabra, oveja o
caballo.
4. Un método según la reivindicación 1, en el
que el mamífero no humano es una especie roedora.
5. Un método según la reivindicación 4, en el
que el roedor es una rata o un ratón.
6. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que la célula diferenciada se obtiene
ex vivo o de un cultivo in vitro.
7. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que el núcleo donante está
genéticamente modificado.
8. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que el núcleo diploide es donado por
una célula quiescente.
9. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que la transferencia nuclear se logra
por fusión celular.
10. Un método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que el mamífero no humano es una vaca
o toro, y en el que el núcleo donante se mantiene expuesto al
citoplasma receptor durante un periodo de tiempo de 6 a 20 horas
antes de la activación.
11. Un método para preparar un mamífero no
humano, comprendiendo el método:
(a) reconstituir un embrión de mamífero no
humano según cualquiera de las reivindicaciones precedentes;
(b) hacer que se desarrolle un mamífero no
humano hasta el final a partir del embrión; y
(c) opcionalmente, reproducción a partir del
mamífero no humano así formado.
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