Удивительно простой рецепт запуска роста конечности
Как у эмбрионов формируются конечности? Ученые стремятся ответить на этот вопрос, чтобы глубже понять эволюцию и эмбриональное развитие, а также приблизить мечту о регенерации конечностей.
Команда генетиков из Гарвардской медицинской школы сделала шаг вперед на этом пути. Как описано в их статье, опубликованной 5 февраля в Developmental Cell, исследователи определили ключевые ингредиенты, необходимые для запуска формирования конечностей у мышей и цыплят.
"В этой области было известно много белков, критически важных для формирования конечностей, но мы обнаружили, что некоторые были упущены", — сказал соавтор исследования ЧангХи Ли.
Команда обнаружила, что комбинация всего трех белков — Prdm16, Zbtb16 и Lin28a — необходима и достаточна, чтобы превратить определенные стволовые клетки, не формирующие конечности, в клетки-предшественники конечностей. Четвертый белок, Lin41, ускоряет этот процесс.
Эти белки, относящиеся к семейству факторов транскрипции, активируют группу генов внутри определенных клеток эмбриональной ткани — мезенхимы. Это изменение генной активности и превращает клетки в клетки-предшественники конечностей (limb progenitor cells).
Затем эти клетки образуют почку на месте будущей конечности и создают основу для будущей руки, ноги, крыла или плавника.
"Мы нашли белки, которые наделяют эту подгруппу мезенхимальных клеток "конечностными" свойствами. Раньше не знали, как превратить мезенхимальные стволовые клетки в предшественники конечностей. Теперь мы можем это делать и изучать раннюю дифференцировку конечностей", — сказал Ли.
Будущая работа должна подтвердить, действуют ли те же факторы транскрипции в развитии человека. Предварительные данные обнадеживают. Также еще предстоит выяснить, какие другие ингредиенты нужны, чтобы клетки-предшественники созрели в соединительные ткани конечности: сухожилия, связки и средний слой кожи.
Как открытие продвигает исследования стволовых клеток
Это открытие впервые позволяет ученым взять фибробласты мыши (клетки соединительной ткани) и направить их развитие в клетки-предшественники конечностей.
Теперь также можно поддерживать жизнь этих клеток в лаборатории гораздо дольше — недели вместо одного-двух дней. Этого достаточно, чтобы начать глубоко изучать механизмы раннего развития конечностей.
Члены лаборатории Табина сделали это возможным, создав инструмент для выращивания клеток-предшественников в 3D-структурах и оптимизировав почти 30 условий культивирования, пока клетки не начали процветать.
Команда была в восторге, что наконец заставила клетки-предшественники "выживать, размножаться и, что критически важно, сохранять свою идентичность после длительного культивирования", — сказал соавтор Клифф Табин.
Набор оптимальных параметров роста — более важный вклад в область, чем сам 3D-каркас. Команда разместила протоколы в свободном доступе онлайн.
"Мы протестировали множество условий, чтобы понять, что нравится клеткам. Они оказались особенно привередливы к жесткости среды. Пока что единственное ограничение — клетки растут так хорошо, что заполняют контейнеры, и это хорошая проблема", — отметил Ли.
Вопросы, на которые теперь могут ответить исследования
Теперь биологи-эволюционисты и специалисты по регенеративной медицине лучше подготовлены, чтобы ответить на вопросы:
- Какую роль три фактора транскрипции играют в других системах органов и организмах.
- Какие факторы влияют на позднее развитие конечностей (пальцы).
- Что отличает развитие передних и задних конечностей.
- Как эти знания могут помочь в усилиях по восстановлению различных органов для лечения травм или болезней.
"Важно понимать базовые свойства клеток, имеющих терапевтическую ценность. Культивирование клеток-предшественников и направление их в более специфические линии принципиально важно для долгосрочной цели восполнения клеток в клинике", — сказал Ли.
Работа также поддерживает идею, что млекопитающие могут служить полезными модельными организмами для изучения регенерации конечностей, даже если они не могут отращивать их после рождения.
"Понимание и использование клеток-предшественников конечностей млекопитающих — это первый шаг к рассмотрению млекопитающих как моделей для регенерации ампутированных конечностей, в качестве альтернативы изучаемым сегодня амфибиям и другим регенерирующим существам", — заключил Табин.