Исследователи реконструировали ранние стадии развития эмбриона

Ученые из Кембриджского университета смогли реконструировать раннюю стадию развития млекопитающих, используя эмбриональные стволовые клетки. Они показали, что для самоорганизации клеток в правильную структуру для формирования эмбриона необходим критический размер клеточной массы — не слишком маленький и не слишком большой.

Все организмы развиваются из эмбрионов. На ранних стадиях этого процесса все клетки похожи и образуют бесструктурный агрегат, чаще всего в форме шара. Затем клетки начинают специализироваться в разные типы и располагаться асимметрично, формируя ось, которая задает структуру для дальнейшего развития.

У животных за этим следует процесс гаструляции — скоординированное движение клеток, которое, используя начальную ось как ориентир, определяет положение головы и хвоста, переда и зада. В ходе этого процесса клетки формируют три отдельных слоя: энтодерму, мезодерму и эктодерму, которые определяют будущие ткани и органы.

Профессор Альфонсо Мартинес-Ариас, руководивший исследованием, говорит: «Гаструляция — это создание чертежа организма. Формирование оси и гаструляция — два центральных процесса, которые инициируют развитие организма. Нам впервые удалось воссоздать это в лаборатории».

Исследователи реконструировали эти ранние стадии, используя эмбриональные стволовые клетки мыши. Эти клетки, открытые в 1980-х годах, способны давать начало всем типам клеток в культуре. Ранее их использовали для «выращивания» органов, но эти структуры развивались без формирования оси.

В исследовании, опубликованном в журнале Development, ученые сообщили о методе, который заставляет клетки реорганизовываться, как в эмбрионе, создавая ось и совершая движения, имитирующие гаструляцию. Это первый случай, когда удалось вызвать формирование оси, пространственную организацию и гаструляционные движения в агрегатах эмбриональных стволовых клеток.

Исследователи показали, что если изначальное количество агрегированных клеток аналогично таковому в эмбрионе мыши, клетки генерируют единую ось. Манипулируя сигналами, которые клетки получают в определенное время, ученые могли влиять на тип клеток и их организацию. Например, активация конкретного сигнала в нужный момент вызывает появление мезодермы, энтодермы и эктодермы с пространственной организацией, похожей на эмбриональную.

С помощью этой системы исследователи смогли сгенерировать ранние стадии спинного мозга, который формируется как часть процесса гаструляции. В эмбрионоподобных агрегатах структурная организация оказалась более надежной и позволила поляризованный рост ткани.

Профессор Мартинес-Ариас добавляет: «Эта система обещает дать понимание ранних стадий развития и того, что определяет специализацию разных типов клеток. Это позволит создавать более надежные протоколы дифференцировки. Система также предоставит возможность экспериментально изучить, как однородная группа клеток организуется в пространстве — центральный процесс в развитии любого организма».