Степень скученности клеток в раннем человеческом эмбрионе влияет на выбор клеточной идентичности

Исследование, проведенное доктором Шотой Наканохом в коллаборации лаборатории доктора Терезы Район в Институте и лаборатории профессора Лудовика Валье в Wellcome-MRC Cambridge Stem Cell Institute, установило, что степень скученности клеток в раннем человеческом эмбрионе влияет на то, разовьются ли клетки во внезародышевые или станут частью эмбриона и в итоге дадут начало коже, волосам и ногтям.

Исследование опубликовано в текущем выпуске Science Advances.

Сочетая новый метод культивирования с трехмерным культивированием и анализом одноклеточного РНК-секвенирования, ведущий исследователь проекта доктор Наканох использовал человеческие плюрипотентные стволовые клетки (hPSC), чтобы больше узнать о том, как возникают амниотическая и поверхностная эктодермы в человеческих эмбрионах на стадии гаструляции (около двух недель после оплодотворения).

Загадка схожих, но разных тканей: амниотическая и поверхностная эктодермы

Амниотическая эктодерма — это однослойная клеточная оболочка, формирующая мембрану вокруг развивающегося эмбриона. Она также обеспечивает важнейшие сигналы для развития человеческого эмбриона; однако, как именно образуется амниотическая мембрана у человека, до сих пор полностью не известно.

Поверхностная эктодерма — это плотный слой эпидермальных клеток-предшественников, дающих начало покрову тела (коже) и связанным с ним структурам: зубам, волосам и ногтям. Её искусственное получение представляет медицинский интерес для совершенствования соответствующих технологий.

Клетки амниотической и поверхностной эктодермы специализируются на ранней стадии развития и во многом имеют общие биологические черты, такие как паттерны экспрессии генов и требования к сигналам. Загадкой оставалось, почему эти различные ткани так похожи и как они дифференцируются в процессе развития.

Скученность клеток влияет на их идентичность

Доктор Наканох модифицировал условия культивирования для hPSC и обнаружил, что добавки Activin A, BMP4, ингибитор GSK3-бета и ингибитор MEK способствуют их дифференцировке в амниотическую эктодерму. Используя метод ко-культивирования для формирования клеточных агрегатов, он подтвердил способность полученных клеток амниотической эктодермы инициировать гаструляцию. Кроме того, анализ одноклеточного РНК-секвенирования указал на путь дифференцировки амниотической эктодермы, при котором гены поверхностной эктодермы экспрессируются до активации генной программы амниотической эктодермы.

Сравнение данных об экспрессии генов с публичными данными по эмбрионам приматов на сопоставимых стадиях развития, выполненное с экспертизой доктора Ирины Мохоряну, главы отдела биоинформатики CSCI, подтвердило типы клеток, генерируемых в культуральной системе, и продемонстрировало их сходство с соответствующими эмбриональными тканями. Более того, путь развития через состояние поверхностной эктодермы к состоянию амниотической эктодермы также наблюдался в эмбрионах приматов.

Ключевым открытием стало то, что доктор Наканох установил: различие между двумя типами клеток зависит от плотности клеток. В разреженных условиях клетки становятся амниотической эктодермой. В противоположность этому, культивирование при высокой плотности приводило к появлению клеток, экспрессирующих маркеры поверхностной эктодермы, но не амниотической. Эти клетки также могли дифференцироваться в последующий тип эпидермальных клеток — кератиноциты, представляющие собой ключевой клеточный тип кожи. Исследователи тестировали вариации культуральной среды, но именно плотность клеток была единственным фактором, влиявшим на выбор клеточной судьбы между амниотической и поверхностной эктодермой.

Исследовательская группа также обнаружила, что новая культуральная система производит клетки, подобные внезародышевой мезодерме, которая ещё недостаточно хорошо охарактеризована в человеческих эмбрионах.

Доктор Шота Наканох, постдокторант в лаборатории Район, заявил: "Амнион защищает эмбрион и обеспечивает ключевые сигналы развития, в то время как поверхностная эктодерма вносит существенный вклад в формирование взрослого тела. Оба типа клеток представляют высокий клинический интерес и являются важными элементами для успешных in vitro моделей человеческих эмбрионов. Хотя существуют протоколы дифференцировки клеток в амниотическую или поверхностную эктодерму, исследователи не могли чётко разграничить эти типы клеток. Наше открытие о плотности клеток как ключевом регуляторе заполняет этот пробел в знаниях и позволяет нам с большей уверенностью генерировать нужные типы клеток".

Применяя этот эффект скученности клеток к развивающемуся человеческому эмбриону, исследователи предполагают, как эти схожие ткани дифференцируются в эмбрионе до гаструляции: амниотическая эктодерма возникает как рыхлый слой с относительно небольшим количеством клеток, в то время как поверхностная эктодерма формируется как непрерывный плотный клеточный слой.

Возможность создания лучших моделей эмбрионов из стволовых клеток

Метод корректной спецификации формирования амниона важен для максимально точного воспроизведения развития человеческого эмбриона с использованием моделей эмбрионов на основе стволовых клеток. Эти модели всё чаще используются для изучения человеческого развития за пределами технических и регуляторных ограничений, регулирующих исследования человеческих эмбрионов.

Доктор Тереза Район, руководитель исследовательской группы в программе "Эпигенетика" Института, сказала: "Мы только недавно начали изучать образование амниона в ходе развития человека. Эти результаты углубляют наше понимание того, как генерировать внезародышевые клетки in vitro в лаборатории, и проливают свет на механизмы, управляющие формированием типов клеток на стадиях, соответствующих 'чёрному ящику' человеческого развития. Учитывая растущий интерес к использованию моделей эмбрионов из стволовых клеток в качестве заместителей человеческих эмбрионов, эта работа предоставляет больше знаний для создания успешных комплексных моделей".

Профессор Валье, ныне профессор стволовых клеток в регенеративной терапии в Berlin Institute of Health at Charité (BIH), добавил: "Наша культуральная система также генерирует внезародышевую мезодерму, ещё одну ткань, мало изученную в человеческих эмбрионах. Это обеспечит лучшее понимание развития человека и может улучшить наши знания о заболеваниях, затрагивающих первый этап жизни плода. Эта работа также открывает путь для новых исследований роли клеточной плотности в принятии решения о клеточной судьбе".