Ключевая роль плотных контактов в моделях эмбриона
По мере роста человеческого эмбриона набор молекул направляет клетки, когда они размножаются и принимают специфические идентичности и пространственные позиции. В одном ключевом процессе, гаструляции, эти сигнальные молекулы направляют один слой эмбриональных стволовых клеток к формированию трёх слоёв различных типов клеток, которые позже станут разными частями тела.
Исследователи из Центра исследования iPS-клеток в Институтах Гладстона показали, что плотные контакты (tight junctions) между клетками могут играть критическую роль в гаструляции человеческих эмбрионов.
«Это исследование имеет захватывающие последствия для того, как мы разрабатываем модели гаструляции и другие лабораторные методики дифференцировки стволовых клеток в специализированные типы клеток», — говорит Синья Яманака, старший автор исследования, опубликованного в журнале Developmental Cell.
Открытие на границе
Учёные воссоздают упрощённую версию гаструляции в чашке Петри, начиная со слоя индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток) и добавляя ключевую сигнальную молекулу — белок BMP4. Однако было неясно, почему при одинаковом сигнале BMP4 клетки превращаются в разные типы.
Ивана Васич, ведущий автор исследования, заметила, что iPS-клетки в чашке содержат белки для построения плотных контактов, но эти контакты не всегда собираются. Команда обнаружила, что выращивание клеток в менее ограниченном пространстве позволяет плотным контактам стабильно формироваться.
При добавлении BMP4 к таким клеткам выяснилось: только клетки на краю кластера получают достаточно BMP4, чтобы активировать молекулярные пути, ведущие к дифференцировке.
«Плотные контакты между соседними клетками, кажется, делают их невосприимчивыми к сигналам от BMP4, — говорит Васич. — Но у краевых клеток нет "соседа" для формирования плотного контакта с внешней стороны, поэтому они получают самые сильные сигналы от BMP4».
Подтверждение роли плотных контактов
Чтобы подтвердить важность плотных контактов, исследователи использовали технологию редактирования генома CRISPR для подавления производства белка TJP1, критически важного для формирования плотных контактов в iPS-клетках. Когда они применили BMP4 к клеткам, лишённым TJP1, активировалась каждая клетка, а не только краевые.
«Мы показали, что удаление плотных контактов заставило все клетки реагировать на BMP4, — говорит Яманака. — Это говорит о том, что плотные контакты блокируют реакцию клеток на сигналы в моделях гаструляции, и, более фундаментально, что структура клеток очень важна для того, как они получают сигналы дифференцировки».
Создание яйцеклеток в чашке
Команда также изучила идентичность клеток, активированных BMP4 после нарушения формирования плотных контактов.
«Мы наткнулись на очень захватывающее открытие: оказалось, что мы можем создать особый тип клеток — клетки, подобные примордиальным зародышевым клеткам (primordial germ cell-like cells), — говорит Васич. — Это стволовые клетки, произведённые в лаборатории, которые напоминают человеческие предшественники сперматозоидов и яйцеклеток».
Подавление TJP1 может лечь в основу нового метода эффективного производства этих уникальных клеток. Васич основала компанию Vitra Labs, чтобы применить этот метод в возможной новой стратегии лечения женского бесплодия.
«Мы пытаемся воспроизвести биологический процесс производства яйцеклеток, чтобы генерировать яйцеклетки, которые люди могли бы использовать для экстракорпорального оплодотворения (in vitro fertilization)», — говорит Васич.