Расшифровка ранних эмбриональных взаимодействий с помощью новой модели из стволовых клеток

С самого начала формирования эмбриона двусторонняя коммуникация критически важна для правильного развития тканей и органов.

Две из первых физических структур, формирующихся в эмбрионе, — это нервная трубка и сомиты, которые позже становятся центральной нервной системой и позвоночником, ребрами и скелетными мышцами соответственно. Эти структуры изучались на животных, но распутать огромный массив сообщений между эмбриональными структурами у человека сложно.

"Мы не можем изучать динамическое формирование этих тканей на человеческих эмбрионах, так как они развиваются относительно поздно, и, по этическим соображениям, мы не можем культивировать эмбрионы более 14 дней", — говорит Наоми Морис, руководитель лаборатории моделей развития в Институте Фрэнсиса Крика. "Вместо этого мы обращаемся к моделям эмбрионов, выращенным в лаборатории, которые не так сложны, как настоящие эмбрионы, но позволяют нам сосредоточиться на одной особенности за раз, чтобы понять, как происходят эти взаимодействия".

Лаборатория разрабатывает такие модели, используя человеческие плюрипотентные стволовые клетки, которые могут стать любой клеткой тела. Эти стволовые клетки выращивают в определенных условиях для создания 3D-структур, отражающих некоторые черты ранних эмбрионов, что позволяет команде исследовать тайны раннего развития человека.

Разработка новой модели

Как описано в исследовании, опубликованном в Nature Cell Biology, Комал Маквана и Луиза Тилли в команде использовали свои знания существующих систем и адаптировали экспериментальные методы, чтобы создать новую модель, которая самоорганизуется примерно в 10 сомитов вместе с одной нервной трубкой. Эти структуры отражали аспекты человеческих эмбрионов на 28–35 день после оплодотворения.

"Сомиты и нервная трубка развиваются из определенных стволовых клеток на одном конце структур", — объясняет Маквана. "Если мы создадим правильные условия, структуры могут спонтанно развить две ткани, организованно во времени и пространстве".

Модели не содержат хорды — стержнеобразной структуры, которая координирует развитие тканей вдоль середины тела, секретируя сигнальные факторы. Это позволило Макване и Тилли проверить, можно ли изменить сомиты и нервную трубку аналогичным образом, просто добавляя одну малую молекулу в разных концентрациях.

"Мы ввели сигналы, которые изначально исходили бы от хорды, и наблюдали сдвиг в судьбах клеток. Но мы также увидели спонтанное паттернирование в нервной трубке, показывающее, что она развивалась в разные идентичности в зависимости от местоположения клетки", — объясняет Маквана. "Это было увлекательно, так как предполагает, что клетки сомитов и нервной трубки общались друг с другом".

Затем исследователи изучили сигнальный ландшафт внутри модели, подтвердив то, что ранее сообщалось только на модельных организмах, включая эмбрионы мыши и курицы. Это включало различные важные химические сигналы в сомитах, обеспечивающие правильную идентичность клеток.

Двусторонняя коммуникация

Исключение других эмбриональных структур из моделей туловища позволило команде расшифровать сообщения между сомитами и нервной трубкой, которые в противном случае были бы потеряны в шуме более сложной модели.

"Неожиданно ген, участвующий в передаче сигнала ретиноевой кислоты, был обнаружен в высоких концентрациях в частях сомитов, ближайших к нервной трубке, что предполагает тесную коммуникацию между двумя структурами", — говорит Маквана.

Затем команда подтвердила, что усиление сигналинга ретиноевой кислоты в определенных регионах сомитов, вероятно, связано с сигнализацией к нервной трубке и позволяет спонтанное паттернирование.

"Мы считаем, что этот кросс-ток помогает подсказать региональные идентичности и может быть важен для последующего созревания в нейрональные или скелетные ткани", — предполагает Маквана. "Сомиты ответственны за генерацию мышц, критичных для осанки, локомоции и дыхания, поэтому координация между этими клетками и нейронами критична для развивающегося эмбриона".

Полезный инструмент для будущего

Для Морис простота новой модели обещает перспективы для будущих исследований. "Проблемы в этом временном окне раннего развития могут привести к потере беременности, если план тела не сформируется полностью", — объясняет она. "И нарушение регуляции этих сигнальных путей может привести к врожденным дефектам".

Она продолжает: "С помощью этой системы мы можем проследить, как ключевые структуры впервые появляются и взаимодействуют, проливая свет на стадию человеческого развития, за развертыванием которой мы никогда раньше не могли наблюдать".