26 октября 2018

Самоорганизующиеся «гаструлоиды»

Формирование осей тела эмбриона – важнейший морфогенетический процесс, начинающийся вскоре после имплантации. В данной работе ученым удалось воссоздать условия формирования осей тела in vitro. В эксперименте использовались мышиные эмбриональные стволовые клетки, которые, сформировав своеобразные агрегаты – «гаструлоиды», проходили стадии, подобные естественному процессу гаструляции.

Группа ученых во главе с Альфонсо Мартинес-Ариасом из Кембриджского университета с коллегами из университета Женевы начали эксперименты по получению гаструлоидов еще в 2014 году. При культивировании эмбриональных стволовых клеток мышей в клеточной культуре были получены группы клеток (примерно по 300 клеток), способные формировать вытянутые трехмерные структуры, которым дали название «гаструлоиды». Гаструлоиды образовывались при стимуляции гена Wnt (англ. Wingless) - одного из ключевых генов, регулирующих работу сигнального пути Wnt во время эмбриогенеза, и отвечающего за формирование билатеральной симметрии организма. Способность клеточных скоплений к самоорганизации в условиях in vitro очень заинтересовала исследователей, и они продолжили свои эксперименты.

Для понимания, какие транскрипционные программы реализуются в самоорганизующихся клетках, в своей новой работе ученые проводили секвенирование РНК, выделенной из гаструлоидов, и сравнивали полученные результаты с данными РНК-секвенирования образцов обычных мышиных эмбрионов. Через двое суток после агрегации транскриптом гаструлоидов соответствовал таковому у эпибласта мышиного эмбриона, формирующегося в утробе, на момент начала гаструляции. К 72 часу в транскриптоме гаструлоидов появились «маркеры» активации генов, участвующих в процессах формирования мезодермы, эндодермы и нейроэктодермы. Также в клетках начали активно экспрессироваться гены Hox, лежащие под контролем Wnt-сигнельного пути. Hox-гены отвечают за формирование «плана» организма: благодаря работы разных Hox-генов в разных областях тела зародыша у последнего развиваются части тела. Кроме того, были задетектированы мРНК, присутствующие обычно в клетках-предшественниках нервного гребня, сердечной ткани, а также гемопоэтических клеток. Вместе с тем, к 120 часу в группе клеток гаструлоидов была обнаружена экспрессия генов семейства Nodal. Подобная активация генов Nodal присутствовала и у обычных эмбрионов в так называемом «билатерально асимметричном» кластере клеток. Отметим, что белки Nodal отвечают за симметрию форм на ранних стадиях развития эмбрионов всех двусторонне-симметричных животных, они функционируют в мезодерме и индуцируют образование эндодермы, а также участвуют в последующей организации аксиальных структур, например, на ранней стадии эмбриогенеза в сердце и в желудке. В целом, полученные данные говорят о том, что, кроме формирования медиально-латеральной оси тела, у гаструлоидов начали появляться признаки асимметрии правой и левой сторон тела.

Однако, по словам ученых, несмотря на формирование осей тела, а также активацию экспрессии тканеспецифических генов, на морфологическом уровне у гаструлоидов не было выявлено четких производных соответствующих листков эмбриональных тканей (например, производных хорды). По мнению исследователей, то, что специализация частей тела не пошла дальше определенной точки, не удивительно, так как, для того, чтобы начал формироваться зачаток головы, нужно сайленсировать Wnt-путь и запустить другие сигнальные каскады. Тем не менее, исследователями было наглядно продемонстрировано, что гены, управляющие процессами эмбрионального развития, экспрессируются крайне согласованно даже в условиях in vitro выращивания гаструлоидов.

В дальнейшем ученые планируют использовать полученные гаструлоиды в качестве модели для исследований ранних стадий эмбрионального развития. Это достаточно удобная модель для экспериментов, поскольку гаструлоиды довольно легко получать в больших количествах. На данный момент команда исследователей из Женевского университета уже использует гаструлоиды для изучения эффектов множественных мутаций, которые трудно получить на настоящих эмбрионах мышей даже при помощи современных технологий.

Оригинал статьи

Получить скидку на генетические анализы