Назад
Исследователи из Боннского университета разработали метод создания эмбрионоподобных клеточных комплексов из стволовых клеток мышей.
Этот метод позволяет по-новому взглянуть на развитие эмбриона. В среднесрочной перспективе он также может подойти для разработки тестов на вещества, которые могут нанести вред фертильности. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
До сих пор не до конца понятно, как из оплодотворенной яйцеклетки развивается мышь, собака или человек. Яйцеклетки способны формировать любой тип ткани в организме, будь то кость, кожа, мышцы или мозг. Ее дочерние клетки генетически идентичны ей, поэтому в принципе они должны быть способны делать то же самое. Но в этих клетках очень рано активируются определенные программы в генетическом материале, которые необратимо определяют ход их развития.
Этот процесс должен быть скоординирован до мельчайших деталей. В конце концов, только так можно добиться того, чтобы глаза формировались в соответствующем месте лица, а другие клетки, расположенные совсем рядом, развивались в носовой хрящ. Однако, как ни удивительно, дирижер, управляющий процессом, отсутствует. "Развитие эмбриона во многом основано на самоорганизации", - объясняет профессор Хуберт Шорле из Института патологии Боннского университета. "Каждая клетка выделяет в окружающую среду вещества-посланники и тем самым помогает определить судьбу своих соседей. Это как если бы в оркестре все обращали внимание только на то, что играют музыканты вокруг них. И при этом получается не какофония, а Девятая симфония Бетховена".
Данное исследование позволяет по-новому взглянуть на эти точно скоординированные процессы. Исследователям удалось превратить эмбриональные стволовые клетки (ES-клетки) из мышей в так называемый эмбриоид. ES-клетки являются плюрипотентными; из них могут формироваться различные типы тканей. Однако, в отличие от всемогущих оплодотворенных яйцеклеток, они не являются универсалами - поэтому перед ними не открыты любые возможности. "Помимо собственно эмбриона, из яйцеклетки также образуется мембрана, которая его окружает, и части плаценты", - объясняет Шорле. " ES-клетки, с другой стороны, не могут формировать эти тканевые структуры вне эмбриона".
Однако они, по-видимому, играют решающую роль в эмбриональном развитии: если стимулировать ES-клетки к делению, они просто превращаются в недифференцированное скопление клеток. " Мы генетически модифицировали некоторые ES-клетки в нашем исследовании", - объясняет Шорле. "И некоторые ES-клетки затем смогли сформировать мембрану, а другие - эмбриональную часть плаценты".
Когда исследователи объединили эти две модифицированные линии клеток с оригинальными ES-клетками, они наблюдали нечто удивительное: клетки мыши дифференцировались в тонко сбалансированной манере, в конечном итоге создавая эмбрионоподобный комплекс - эмбриоид. "Он напоминал 5-дневный эмбрион мыши", - говорит Шорле.
"Неупорядоченная смесь трех типов клеток превратилась в строго упорядоченную структуру, подобную той, которая обычно возникает из оплодотворенной яйцеклетки".
Исследования активности их генов подтвердили этот вывод: каждая отдельная клетка эмбриоида вела себя очень похоже на свои аналоги в настоящем эмбрионе.
Ранее уже удавалось создавать такие эмбриоиды. Однако для этого требовалось использовать три совершенно разные клеточные линии, которые выращивались отдельно в строго согласованном порядке. Такой подход очень сложен и чреват ошибками - в отличие от нового метода: "Мы работаем с одной культурой", - подчеркивает Шорле. "Затем мы включаем программу плаценты через определенное время в одной части клеток и программу мембраны в другой части. Остальное происходит, как бы, само собой, путем самоорганизации".
Сейчас профессор Шорле планирует создать подобные эмбриоиды из ES-клеток обезьян очень похожим способом. По его словам, их можно будет использовать для тестов на токсичность - например, чтобы определить, вызывают ли определенные вещества пороки развития в утробе матери. В настоящее время для этого используются тесты на животных. "Использование таких эмбриоидов могло бы заменить по крайней мере некоторые из них", - отмечает исследователь. Он уже планирует соответствующий проект сотрудничества с исследователями из Геттингенского университета.
Jan Langkabel et al. Индукция эмбриоидов на стадии Розетты до стадии Люмена с использованием парадигм перепрограммирования ESCs (аннотация).
Было показано, что линии стволовых клеток, дериватов бластоцистов, самоорганизуются в эмбрионоподобные структуры в трехмерной среде клеточной культуры. В данном исследовании мы приводим доказательства того, что эмбрионоподобные структуры могут быть созданы исключительно на основе перепрограммирования эмбриональных стволовых клеток под действием транскрипционных факторов в простой системе трехмерной ко-культуры. Эмбриональные стволовые клетки в этих культурах самоорганизуются в удлиненные, компартментированные эмбрионоподобные структуры, отражающие аспекты внутренних областей раннего постимплантационного эмбриона. РНК-секвенирование единичных клеток выявляет транскрипционные профили, напоминающие эпибласт, примитивную/висцеральную эндодерму и экстраэмбриональную эктодерму ранних мышиных эмбрионов примерно E4.5-E5.5.
В этой модели эмбриона, основанной на стволовых клетках, прогрессия от формирования розетки до люменогенеза, сопровождаемая прогрессией от наивной до первичной плюрипотентности, наблюдалась в Epi-подобных клетках. Кроме того, в эпибласто- или висцерально-эндодермоподобных компартментах наблюдалась спецификация линий примордиальных зародышевых клеток и дистальных/передних висцеральных эндодермоподобных клеток, соответственно.
Система, представленная в данном исследовании, позволяет быстро и воспроизводимо генерировать эмбрионоподобные структуры, предоставляя дополнительный инструмент для изучения аспектов раннего эмбриогенеза.
