Происхождение репродуктивных органов
На ранних стадиях развития человеческого эмбриона, в первом триместре беременности, у плода уже есть XX или XY хромосомы, указывающие на его пол. Однако на этом этапе группа клеток, известная как бипотенциальная гонада, которая в итоге разовьётся в яичники или семенники, ещё не определилась со своей окончательной судьбой.
Хотя учёные изучали этапы более поздних стадий этого процесса, о предшественниках бипотенциальной гонады было известно мало. В новом исследовании, опубликованном в Cell Reports под совместным руководством Котаро Сасаки из Школы ветеринарной медицины Пенсильванского университета, международная команда детально описывает развитие этого ключевого аспекта половой дифференцировки на двух моделях млекопитающих.
"Используя данные одноклеточной транскриптомики, мы можем получить много информации о экспрессии генов на каждой стадии развития", — говорит Сасаки. "Мы можем определить, каков процесс по умолчанию и как он может нарушаться в некоторых случаях. Этого никогда не делалось в традиционной биологии развития. Теперь мы можем понимать развитие в молекулярных терминах".
Нарушения формирования пола (DSD) возникают, когда внутренние и внешние репродуктивные структуры развиваются иначе, чем можно было бы ожидать, исходя из генетики индивида. Например, человек с XY хромосомами может развить яичники. Эти состояния часто влияют на фертильность и связаны с повышенным риском опухолей зародышевых клеток.
"Эти расстройства часто создают психологический и физический дистресс для пациентов", — говорит Сасаки. "Вот почему понимание развития гонад важно".
Чтобы понять атипичное развитие, Сасаки и коллеги в текущем исследовании стремились описать этапы типичного развития, работая с моделями мыши и обезьяны.
Исследователи начали с изучения эмбрионов мыши на протяжении эмбрионального развития, используя молекулярные маркеры для отслеживания локализации различных белков, предположительно вовлечённых в формирование репродуктивных структур. Они заметили, что к девятому дню эмбрионального развития мыши структура под названием задняя промежуточная мезодерма (PIM) ярко окрашивалась маркером гена, критически важного для развития гонад, почек и продуцирующих гормоны надпочечников, расположенных рядом с почками.
Сосредоточившись на PIM и её клетках-потомках, команда обнаружила, что к 10.5 дню они также экспрессировали маркер, известный своей ассоциацией с бипотенциальной гонадой.
"Люди ранее изучали происхождение мочеполовых органов и почек и на основе этого полагали, что их истоки очень близки", — говорит Сасаки. "Так что нашей гипотезой было то, что PIM является источником как гонад, так и почек".
Чтобы идентифицировать происхождение гонады, они провели трассировку линии, при которой учёные метят клетки, чтобы отследить их потомков, что действительно подтвердило связь между PIM и гонадами.
Чтобы дополнительно подтвердить, что PIM играет схожую роль в организме, более близком к человеку по репродуктивной биологии, исследователи провели аналогичные наблюдения на эмбрионах яванских макак. Хотя сроки развития отличались от мышиных, как и ожидалось, PIM снова, по-видимому, давала начало бипотенциальной гонаде.
Углубляясь в молекулярный механизм перехода между PIM и бипотенциальной гонадой, исследователи использовали передовую технику: анализ одноклеточного секвенирования, позволяющий определить, какие гены включаются на каждой стадии развития.
Они не только смогли идентифицировать включаемые гены — многие из которых ранее никогда не ассоциировались с репродуктивным развитием — но и наблюдали переходное состояние между PIM и бипотенциальной гонадой, называемое целомическим эпителием. Сравнивая эмбрионы мышей и обезьян, исследователи выделили группу консервативных генов, общих для обоих видов. "Некоторые из этих генов уже известны как важные для развития яичников и семенников мыши и человека", — говорит Сасаки, — "а некоторые были вовлечены в развитие DSD".
Он отмечает, что примерно у половины пациентов с DSD генетическая причина неизвестна. "Так что эта база данных, которую мы собираем, теперь может быть использована для предсказания некоторых дополнительных генов, важных при DSD, и может применяться для скрининга и диагностики DSD, или даже для лечения и профилактики".
Исследование также прояснило взаимосвязь между происхождением почек, надпочечников и гонад. "Все они происходят из PIM, но сроки и позиционирование различны", — говорит Сасаки.
Надпочечники, по его словам, развиваются из передней части PIM (ближе к голове) и возникают рано, тогда как почка возникает позже из задней части PIM. Гонады охватывают PIM, причём некоторые их области развиваются раньше, а другие позже.
В будущих исследованиях Сасаки и коллеги хотели бы продолжить выяснение деталей и стадий развития гонад. Конечная цель Сасаки — заставить собственные стволовые клетки пациента расти в репродуктивные органы в лаборатории.
"У некоторых пациентов с DSD нет яичников и семенников, а некоторые онкологические пациенты проходят химиотерапию и полностью теряют функцию яичников", — говорит Сасаки. "Если бы можно было индуцировать рост яичника из стволовой клетки в лаборатории, вы могли бы обеспечить заместительную терапию для этих пациентов, позволив им восстановить нормальный уровень гормонов и даже фертильность. Имея на руках точную молекулярную карту развивающейся гонады, мы теперь на шаг ближе к этой цели".