Сигнальные волны определяют судьбу эмбриональных клеток
Исследование биолога Райсовского университета Арье Вармфлеша и аспирантки Сапны Чхабры показало, что однородные колонии человеческих эмбриональных стволовых клеток используют динамические молекулярные сигнальные волны, которые передаются от клетки к клетке и запускают их дифференцировку.
После активации клетки начинают организовываться в три зародышевых листка — энтодерму, мезодерму и эктодерму, — которые в конечном итоге формируют эмбрион.
Это открытие опровергает объяснения, восходящие к исследованию 1952 года британского математика Алана Тьюринга, который утверждал, что сигнальные градиенты могут самоорганизовываться через механизм, ныне известный как неустойчивость Тьюринга. Такой процесс теоретически позволял бы стабильному градиенту молекул передавать сигналы разной силы каждой клетке.
Вармфлеш, Чхабра и их коллеги показали, что такие градиенты не существуют в колониях стволовых клеток, и процесс гораздо более динамичен, чем считалось ранее. Они наблюдали за ограниченными колониями стволовых клеток и с помощью математических моделей определили, что такой механизм не может объяснить наблюдаемые ими сигнальные паттерны и волны, запускающие дифференцировку в зародышевые листки. Эти листки затем превращаются в органы, кости, кожу и кровь.
Их работа, подробно описанная в PLOS Biology, исследует динамические взаимодействия между сигнальными путями BMP, Wnt и NODAL в рамках долгосрочного изучения процесса превращения одной оплодотворённой клетки в человека. Для этого они используют специальные паттернированные пластины, которые заставляют стволовые клетки расти в крошечных круглых колониях.
Затем исследователи могут наблюдать, измерять и влиять на колонии по мере их прохождения через самые ранние стадии, когда они формируют паттерны дифференцированных клеток, но никогда не переходят к стадии эмбриона.
В текущем исследовании учёные воздействовали на колонии BMP (костным морфогенетическим белком). Сигналы, передаваемые через этот путь, заставляли клетки запускать и поддерживать волну межклеточных сигналов Wnt, которая распространялась от периметра к центру колонии.
Wnt, в свою очередь, инициировал волну сигналов NODAL, которая двигалась независимо к центру. Измеряя каскад, исследователи показали, что продолжительность сигналинга BMP определяла положение мезодермы — среднего слоя в раннем развитии эмбриона, — в то время как сигналы Wnt и NODAL усиливали дифференцировку мезодермы.
Взаимодействие между сигнальными путями определяло, где начинается и заканчивается кольцо мезодермы.
«Мы знали важные химические сигналы, но до сих пор никто не наблюдал активность этих сигналов в пространстве и времени, — сказала Чхабра, ведущий автор статьи. — Сосредоточившись на мезодерме, мы показали, что дифференцировка не зависит от конкретного уровня какого-либо из используемых клетками химических сигналов.
Пока мы знаем, что сигналинг начинается на краю колонии и движется внутрь, и что положение окрашенных в красный цвет клеток мезодермы коррелирует с пиком активности Wnt. Есть только определённый период времени, в течение которого они могут реагировать».
Вармфлеш отметил, что время, необходимое сигналам, чтобы добраться до центра колонии, также не даёт клеткам там дифференцироваться в мезодерму. «Сигнал движется, непрерывно заполняя всю колонию. Но в зависимости от того, когда он достигает конкретных клеток, они либо будут, либо не будут реагировать. К тому времени, когда волна достигает их, клетки в центре уже решили стать эктодермой».
Исследователи наблюдали, что сами клетки немного мигрируют, но не так быстро, как передаваемые ими сигналы, меняющие их судьбу.
Они также обнаружили, что клетки на периметре колонии хорошо соответствуют тем, которые, как известно, становятся клетками плаценты в эмбрионе.
«В этой области было много споров о том, представляют ли эти клетки плацентарные клетки или нет, — сказал Вармфлеш. — Это связано с тем, что решение стать стволовой клеткой самого эмбриона или стать плацентой должно было произойти ещё до того, как наша модель вообще начинается».
Чхабра исследовала гены, экспрессируемые периферийными клетками, с помощью РНК-секвенирования и сравнила их с недавно опубликованными данными секвенирования плацентарных клеток из ранних человеческих эмбрионов.
«Это позволило нам в этой статье впервые сравнить эти две вещи, — сказал Вармфлеш. — Суть в том, что эти клетки являются такой же хорошей моделью для человеческой плаценты, как стволовые клетки — для человеческого эмбриона. Это не идеально, но достаточно хорошая модель».