Учёные смоделировали ранние этапы развития человека в лаборатории

Исследователи из Институтов Гладстона смоделировали в лаборатории первый ключевой шаг в развитии человека — разделение однородной массы клеток на различные популяции. Цель работы — лучше понять, как формируются органы, чтобы впоследствии создавать более аутентичные органоиды для тестирования лекарств, моделирования болезней и потенциальной трансплантации.

Исследование, опубликованное в eLife, провели старшие научные сотрудники Тодд МакДевитт и Брюс Конклин. Учёные отредактировали группы человеческих плюрипотентных стволовых клеток, чтобы "замолчать" гены, важные для клеточной механики. Это заставило клетки перемещаться и самоорганизовываться, разделяясь на две группы: отредактированные и нет. Это физическое разделение в итоге повлияло на то, какими типами клеток они станут.

"Когда вы изменяете только часть клеток, они организуются очень специфическим образом, который напоминает разные способы организации клеток в раннем эмбрионе для создания сложной ткани", — говорит первый автор исследования Эшли Либби.

В работе учёные использовали вариацию редактирования генома CRISPR для временного "выключения" одного из двух разных генов:

• Ген CDH1, который действует как липучка, помогая клеткам слипаться. Клетки с "замолченным" CDH1 сгруппировались в небольшие островки, окружённые кластерами неизменённых клеток. Такой тип сегрегации происходит много раз во время развития.
• Ген ROCK1, который меняет гибкость клетки. Клетки с неповреждённым ROCK1 были жёстче и стягивали друг друга в центр, в то время как более мягкие клетки без гена выталкивались наружу, образуя кольцо. Подобные кольцевые паттерны возникают, например, при формировании конечностей.

Интересно, что "замолчивание" генов изменило не только немедленное поведение отредактированных клеток, но и их будущую идентичность по мере созревания. Более того, эти изменения повлияли и на соседние неотредактированные клетки, предрасположив их стать другим типом клеток.

"Если клетки остаются однородными, вы не можете получить ткань", — объясняет Тодд МакДевитт. — "Должно произойти событие, нарушающее симметрию, чтобы создать разнообразный массив клеточных типов, необходимых для формирования функционирующих тканей и органов".

Новые знания о том, как физическая организация клеток влияет на их идентичность, дают исследователям более надёжный метод создания органоидов — миниатюрных упрощённых органов, выращенных из стволовых клеток. Вместо того чтобы направлять клетки с помощью каркасов или форм, команда нашла способ имитировать нормальное развитие через изменения в экспрессии генов, влияющие на клеточную сигнализацию и организацию. Это может позволить создавать лучшие органоиды для изучения эмбриогенеза, развития врождённых дефектов и формирования более сложных человеческих тканей.

Статья "Spatiotemporal mosaic self-patterning of pluripotent stem cells using CRISPR interference" была опубликована в журнале eLife 9 октября 2018 года.