В человеческих клетках обнаружен животный эмбриональный организатор

23 мая 2018



Новое исследование подтверждает, что кластер клеток, который определяет судьбу других клеток в развивающемся эмбрионе, эволюционно сохраняется во всем животном мире.

Эмбриональные стволовые клетки человека (красный), имплантированные в живой эмбрион курицы.

Согласно исследованию, опубликованному 23 мая 2018 года в Nature, организационный центр, или центр Шпеманна — группа клеток эмбриона, которая предопределяет развитие и морфогенез других эмбриональных клеток, впервые была идентифицирована в тканях человека.

«Для многих из нас это всегда был Святой Грааль» биологии развития«,- говорит Гильермо Оливер, директор Центра исследований сосудистой и развивающей биологии в Северо-западной Фейнбергской Медицинской Школе, который не участвовал в исследовании. «Тот факт, что теперь вы можете взять стволовые клетки и повторить эти свойства с помощью комбинации участников, описанных здесь, поражает воображение ». Эмбриолог Университета Рокфеллера Али Бриванлу и его коллеги сообщают, что, когда они имплантировали человеческие стволовые клетки, обработанные Wnt и Activin (два сигнальных белка, участвующих в экспрессии гена органайзера у животных), в эмбрионы цыплят, привитые клетки инициировали прогресс развития клеток вокруг себя. Впервые проведен эксперимент, доказывающий существование организатора клеток у людей, взаимосвязанность работы Wnt и Activin, и доминирование организационного центра в эмбриональном развитии.

Обнаружение организатора и появление в связи с этим новой области современной эмбриологии произошло почти столетие назад. Хильда Мангольд, кандидат наук в лаборатории немецкого зоолога Ганса Шпеманна, написала диссертацию в 1924 году, в которой впервые описала организатор. Мангольд и Шпеманн наблюдали в эмбрионе саламандры четкую форму и морфологию в некоторых клетках вдоль нейронной оси — части эмбриона, которая станет центральной нервной системой и одной из первых структур, образующихся во время развития. Когда они прививали эти клетки от одного эмбриона к другому, трансплантированные клетки индуцировали образование второй оси развития у «эмбриона-подвоя». Мангольд погибла в аварии в 1924 году в возрасте 25 лет. Шпеманн продолжил исследование и получил Нобелевскую премию 1935 года в области физиологии и медицины за данное открытие.

Куриный эмбрион, окрашенный человеческим специфическим ядерным антигеном.

«Это привело к коренной ломке представлений в эмбриологии, потому что это стало переходной точку между эмбриологией описательной и эмбриологией прикладной », - говорит Бриванлу. Это побудило эмбриологов задаваться вопросами о том, где в эмбрионе скрыта информация о создании различных органов, добавляет он. Но этим вопросам было суждено остаться без ответа почти столетие. Только в середине 1990-х годов прогресс в молекулярной биологии и генетике позволил начать исследование сигнальных путей, участвующих в этих процессах. В эпохальном для эмбриологии исследовании, опубликованном в 1998 году, генетик из Университета Кембриджа Джон Гёрдон и его коллеги показали, что Wnt и Activin участвуют в контроле экспрессии генов, что приводит к появлению организатора у эмбрионов лягушки. Затем, в 2000 году, Кира Гистман, клеточный биолог Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна, связала центральный сигнальный путь с организатором. И в 2007 году Патрик Там, эмбриолог из Университета Сиднея, показал, что у эмбрионов мыши эти сигналы поступают из внеэмбриональной ткани — структур, которые окружают и поддерживают эмбрион по мере его развития.

Задачей Бриванлу и его коллег являлось определения истоков человеческого организатора. В 2014 году, обработав человеческие эмбриональные стволовые клетки, выращенные на дисках с четвертым костным морфогенетическим белком — BMP4 (группа данных белков названа так потому, что этот класс факторов роста был открыт в процессе изучения индуцирования развитие кости и хряща), они заставляли клетки дифференцироваться и организовываться в концентрические кольца слоев эмбриональной ткани. Используя секвенирование РНК, команда обнаружила, что BMP4 включает один из генов, а именно, Wnt3, который затем стимулирует экспрессию. Они определили сигнальный путь, который порождает организатора, и при этом продемонстрировали, что он эволюционно сохраняется среди видов.

В этом последнем эксперименте, когда они прививали человеческие эмбриональные стволовые клетки, обработанные Wnt и Activin в куриные эмбрионы, последние заставляли клетки вокруг себя формировать вторую нервную ось в виде линии клеток, движущихся вдоль одной из сторон эмбриона. Это наглядно продемонстрировало, что сигнализация Wnt и Activin запускает некоторые из клеток человеческих эмбрионов находящихся на ранних стадиях и побуждает их стать организатором. Бриванлу и его коллеги воссоздали эксперимент Мангольда и Спеманна 1924 года и сделали это, манипулируя плюрипотентными человеческими клетками, выступающими в качестве организатора.

«Самое интересное заключается в том, что Бриванлу использовал действительно передовые подходы, чтобы продемонстрировать, что идея организатора и, в частности, генетические и молекулярные механизмы, которые были описаны для животных систем, могут быть использованы в человеческой модели », - говорит Даниэль Кесслер, эмбриолог Университета Пенсильвании, который не участвовал в исследовании. «Мы подобрались настолько близко, что скоро достигнем окончательной демонстрации того, что эти принципы и механизмы применимы и в человеческом эмбрионе».

Это открытие может привести к успехам в применении стволовых клеток в медицине, — говорит Кесслер. «Естественные механизмы, которые позволят нам направлять стволовые клетки к конкретным клеточным скоплениям — ​​гены, сигналы, обеспечивающие пространственный и временный контроль — те, которые будут наиболее эффективно использоваться в системах in vitro (специальные инкубаторы лабораторные для выращивания стволовых клеток), где мы пытаемся направить стволовые клетки на развитие нужных участков, что может быть потенциально использовано в лечебных целях», — говорит он. «Теперь у нас есть преимущество — мы можем использовать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные от пациентов», — добавляет он. «В конечном итоге, можно будет попытаться использовать его для имитации этого процесса клетками, полученными от пациента» и определить, как генетические мутации вызывают то или иное генетическое заболевание. «На сегодняшний день это главный прорыв». Бриванлу говорит, что открытие может стать началом революции в регенеративной медицине. «Я думаю, что медицина в будущем будет не лечить органы, а заменять их», — говорит он. «Чтобы это произошло, нам нужно многое узнать о происхождении некоторых вещей». Для него это открытие также имеет еще более глубокий смысл: «Люди всегда интересовались собственным происхождением. Удивительная способность, которая дает нам возможность наблюдать наши ранние моменты развития и генезиса, — это то, что для меня столь же, если не больше, привлекательно, чем рассматривать фотографии с телескопа Хаббла».