Эмбриональное развитие в замедленном темпе
Роевые олени (косули) — одни из немногих млекопитающих, чьи эмбрионы впадают в особенно длительный период покоя. Используя современные молекулярные методы, исследователи из ETH Zurich впервые детально показали, что происходит с эмбрионом в этой фазе. Они определили сигналы, контролирующие "пробуждение" эмбриона.
После спаривания и оплодотворения яйцеклетки в середине лета эмбрион размером с булавочную головку не имплантируется в матку, а входит в период покоя, называемый эмбриональной диапаузой. Этот период длится более четырех месяцев, до декабря. Только затем эмбрион продолжает развитие в нормальном темпе и имплантируется. В мае, после четырех с половиной месяцев "настоящей" беременности, самка рожает одного-трех детенышей.
Хотя явление известно более 150 лет, оно остается загадкой. Различные формы эмбриональной диапаузы известны у более чем 130 видов млекопитающих, но редко длятся так долго, как у косули. Важно, что почти ни у одного другого вида не наблюдается такого выраженного, непрерывного замедления вместо полной остановки.
Изучение транскриптома и сигнальных молекул
Исследовательская группа под руководством профессора ETH Zurich Сюзанны Ульбрих изучила молекулярные процессы в эмбрионе во время покоя. Оказалось, что эмбриональные клетки продолжают делиться во время диапаузы, хотя и очень медленно. Количество клеток, включая эмбриональные стволовые клетки, удваивается только каждые две-три недели.
Ученые исследовали молекулярный состав маточной жидкости и транскриптом эмбрионов и клеток эпителия матки. В маточной жидкости они обнаружили сигнальные вещества, регулирующие скорость деления клеток. Особенно заметной была аминокислота серин. К концу диапаузы концентрация определенных аминокислот в маточной жидкости меняется, и скорость пролиферации клеток возвращается к норме.
В этом процессе ключевую роль играет молекулярный комплекс mTOR (мишень рапамицина у млекопитающих), который реагирует на аминокислоты. Исследование показало, что активность только mTORC1 (но не mTORC2) подавлена в эмбрионах косули на протяжении всей диапаузы. У мышей с диапаузой деление клеток полностью останавливается при ингибировании обоих комплексов.
К концу диапаузы значительное увеличение уровня аминокислот в маточной жидкости активирует mTORC1. Это, в свою очередь, увеличивает экспрессию метаболических генов и генов клеточного цикла, продвигая развитие эмбриона. Поскольку mTORC2 не ингибирован во время диапаузы у эмбрионов косули, исследователи предполагают, что это может объяснять, почему деление клеток медленно продолжается.
Остается неясным, участвуют ли другие сигнальные молекулы помимо аминокислот, и являются ли аминокислоты действительно ответственными за возобновление развития или эмбрион сам выделяет молекулы, действующие на материнские клетки.
Новый свет на репродуктивную биологию
Эти открытия проливают свет на репродуктивную биологию в целом. Один из фундаментальных вопросов — как устанавливается беременность у млекопитающих. У женщин и домашнего скота эмбрионы часто не имплантируются и погибают. "Это связано со сложным взаимодействием эмбриона и матери", — говорит Ульбрих.
Успешная беременность требует точного времени. Эмбрион должен дать о себе знать в нужный момент с помощью соответствующих (молекулярных) сигналов и прервать цикл матери. Косуля — идеальная модель для изучения этого взаимодействия. Ее эмбриональное развитие очень похоже на развитие крупного рогатого скота, но происходит в замедленном темпе. "Это позволяет нам лучше разрешать во времени последовательность событий и находить причинно-следственные связи".
Полученные данные также могут помочь улучшить экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО) у людей, чтобы эмбрионы больше не нужно было замораживать. Кроме того, естественные факторы можно использовать для контроля скорости деления клеток, включая эмбриональные стволовые клетки.