От головы к хвосту: Как клетки могут вести себя автономно на ранних стадиях развития

Все мы начинаем жизнь как симметричные шары клеток. У человека в первые недели после оплодотворения эмбриональные клетки делятся, увеличивая массу. Затем наступает гаструляция — процесс, который меняет всё и устанавливает план строения тела. Во время гаструляции однородные клетки раннего эмбриона нарушают симметрию и реорганизуются в многослойную структуру с различными типами клеток.

В этот ключевой момент устанавливается план тела и три его оси: голова–хвост, перед–зад и лево–право. Этот процесс требует от клеток точного взаимодействия и координации, но то, как это достигается, во многом остаётся загадкой.

Группа Триведи в EMBL Барселона изучает, как клетки формируют план тела, и опубликовала исследование в журнале Development, которое может углубить понимание раннего развития млекопитающих.

«Считается, что для формирования передне-задней оси нашего тела, то есть структуры от головы до ног, необходимы внешние сигналы. В нашем исследовании мы показываем, что клетки могут самостоятельно управлять первыми шагами нарушения симметрии без какого-либо внешнего воздействия», — сказал Викас Триведи.

Гаструлоиды как модель развития

Гаструлоиды — это трёхмерные агрегаты эмбриональных стволовых клеток, выращенные в лаборатории в контролируемой среде. Со временем они формируют структуры, имитирующие многие черты ранних эмбрионов млекопитающих, что позволяет заглянуть в процессы развития, которые почти невозможно изучить внутри матки.

Самое замечательное в этих клеточных агрегатах то, что они формируют такие структуры без паттернов или сигналов, которые обычно направляют эмбриональные клетки в матке. Таким образом, они помогают понять истинный потенциал эмбриональных клеток к самоорганизации при создании плана тела.

Изучение ранних событий

Команда Триведи выращивала гаструлоиды из мышиных эмбриональных стволовых клеток в первые 72 часа после оплодотворения — период, когда клетки эмбриона мыши принимают важнейшие решения для определения оси голова–хвост. В разные моменты времени они анализировали экспрессию генов и другие молекулярные признаки в отдельных клетках гаструлоида.

Учёные обнаружили, что гаструлоиды могут нарушать симметрию: клетки на двух концах структуры приобретают различные свойства (процесс, известный как поляризация) без внешней химической стимуляции.

Например, подмножество клеток гаструлоида начинает экспрессировать ген Brachyury и претерпевает изменения формы, экспрессии генов и подвижности. В конечном итоге они формируют мезодерму — эмбриональный слой ткани, из которого позже образуются мышцы и кости. Появляются и другие специализированные типы клеток, экспрессирующие специфические маркеры и занимающие определённые места в гаструлоиде.

Это первые шаги в формировании передне-задней оси, и, как показали учёные, они могут происходить в отсутствие внешних сигналов.

Сходства и различия с эмбрионом

Исследователи также изучили, насколько клетки гаструлоида похожи на клетки эмбриона. Они заметили, что хотя на начальных стадиях клетки гаструлоида и эмбриона экспрессируют разные гены, они, тем не менее, дают начало очень похожим дифференцированным типам клеток.

«Это говорит о том, что клетки могут достигать схожих конечных состояний как в гаструлоидах, так и in vivo, но с различными начальными состояниями», — сказал Триведи.

Эти открытия могут служить новым способом изучения раннего развития млекопитающих, фокусируясь не только на сходствах, но и на ключевых различиях с процессами in vivo.

Группа Триведи планирует продолжить изучение альтернативных путей развития, наблюдаемых в гаструлоидах, и объединить in vitro системы с инженерией, наукой о данных и теоретическими моделями, чтобы понять универсальность стволовых клеток.