РАЗВИТИЕ ЭМБРИОНА ВНЕ ОРГАНИЗМА

Появилась интересная и очень накрученная статья, ссылка на которую в конце. Авторы статьи сумели подобрать условия, при которых высаженные в искусственную культуру вне организма стволовые клетки начинают формировать нечто, по внешнему виду и по своим свойствам очень похожее на эмбрион (мыши или человека).

Эмбрион представляет раннюю стадию формирования наших тел (и тел других многоклеточных) в ходе развития от оплодотворенной яйцеклетки и до момента рождения (у человека - до 9 недели после зачатия, после чего и до момента рождения его принято обозначать как плод). После оплодотворения яйцеклетка быстро делится; количество клеток растет, формируется эмбрион, в котором можно различить зачатки внутренних органов. К моменту рождения органы в основном сформированы. С этого момента наши возможности что-то изменить в уже сформировавшемся организме сильно ограничены. Кстати, стоит заметить, что лучшая возможность генетической коррекции наследственных заболеваний (в основе которых лежат мутировавшие гены) существует именно на стадии эмбриона. А сами эти заболевания, как потенциальную (и весьма вероятную) возможность, можно обнаружить, когда эмбрион состоит всего из 8-16 клеток и даже раньше (у человека это первые 4-5 дней после оплодотворения). Эти клетки содержат всю генетическую и ЭПИгенетическую (ту, что управляет генами) информацию, которая необходима для того, чтобы полностью сформировались наши тела. И, больше того, эта упомянутая информация в значительной степени определяет продолжительность жизни каждого из нас и спектр заболеваний, которым каждый из нас может быть подвержен в течение жизни, характер, привычки, таланты или отсутствие таковых.

Мы можем повлиять на генетическую предрасположенность к чему-либо, например, к конкретому заболеванию, если заменим один ген на другой в эмбрионе, когда он (эмбрион) находится на самой ранней стадии, например, как упомянуто выше, на стадии 8-16 клеток. Мы можем это сделать с помощью довольно сложной техники микрохирургии, когда мы с помощью микропипетки отбираем или добавляем (здоровые) эмбриональные стволовые клетки к этому раннему эмбриону. И вот тут интереснейший научный и практический вопрос заключается в том, в какой мере эти ранние эмбриональные клетки являются стволовыми, т.е. клетками с неограниченным потенциалом развития в сторону любых тканей (и органов)? И в какой момент в каждой такой клетке начинают проявляться свойства какой-то определенной ткани, например, нервной или эпителиальной? До определенного момента (например, эмбрион до стадии 8 клеток) все эти несколько клеток совершенно одинаковы. Их можно, условно говоря, перетасовывать, менять местами или даже забирать 1-2 клетки. И это не скажется на формировании позднего эмбриона. Но, в какой-то момент происходит быстрое перепрограммирование и часть клеток, точнее их потомства, теряют свойства стволовых и из их дальнейшего потомства начинают формироваться ранние ткани зародыша, а сам зародыш поляризуется, т.е. появляются стороны: "лево", "право", "головная", "хвостовая". Если забрать из эмбриона такие перепрограммированные клетки, то можно вполне верятно лишить эмбрион каких-то формирующихся тканей или органов. И вот эти вопросы, на которые нет удовлетворительного ответа: когда происходит перепрограммирование, в сторону каких тканей или органов и почему? Что служит триггером (спусковым механизмом) этого процесса?

Эти вопросы очень сложны и одной из главных проблем здесь является нехватка адекватной модели эмбрионального развития (т.е. по сути модели беременности) человека и животных вне организма матери, так как система мать-плод почти не позволяет контролировать и менять условия формирования зародыша. Наиболее продвинутой моделью развития зародыша вне организма матери (раннего периода беременности) до настоящего времени были так называемые гаструлоиды, скопления эмбриональных стволовых клеток в культуре, которые могут формировать все три зародышевых листка (или слоя), т.е. эктодерму, мезодерму и эндодерму, которые в норме дают начало покровным тканям (коже), скелету, мозгу, крови, сердцу и другим органам. Проблема в том, что гаструлоиды представляют очень несовершенную модель, в которой полноценно не идут процессы морфогенеза (формироаания органов и тканей).

Есть такое понятие, как “план тела” (англ. body plan), который представляет черты строения тела, общие для большой группы (типа) животных, например, позвоночных (человек, обезьяны, птицы, лягушки, крокодилы, рыбы и т.д.). Есть центральная вытянутая структура - нервная система (головной и спинной мозг), которая защищена скелетом. Отростки от нее идут к скелетным мышцам и органам тела. При этом можно легко заметить повторяющиеся элементы, например, ребра и позвонки, и двустороннюю симметрию (справа и слева расположены одинаковые элементы скелета и группы мышц). Такой план тела закладывается на самых ранних этапах эмбрионального развития, в самый ранний период беременности, в виде нервной трубки (из которой образуется головной и спинной мозг) и повторяющихся шарообразных образований (сомитов) по бокам нервной трубки. Из этих самых сомитов и появляются те повторяющиеся элементы скелета и мягких тканей, упомянутых выше.

Таким образом, продвинутая модель развития эмбриона вне организма матери должна адекватно воспроизводить те самые ранние этапы, когда закладывается план тела (нервная трубка и сомиты по бокам). Пока такой модели не было. И вот авторы работы, на которую я ссылаюсь, работали с эмбриональными стволовыми клетками (которые в свою очередь добываются из уже сформировавшихся эмбионов на ранних стадиях). В жидкой среде такие клетки спонтанно формируют немного вытянутые агрегаты. С нормальными эмбрионами, растущими в организме матери, их роднит наличие трех зародышевых слоев, как сказано выше (т.е. эктодермы, мезодермы и эндодермы), но дальше этой стадии развитие не идет. Авторы поместили такой 4-дневный агрегат в полужидкую среду, в которой к жидкой питательной основе для клеток был добавлен белковый компонент. Этот компонент представляет собой так называемый трехмерный внеклеточный матрикс, т.е. белки, а также крупные полисахариды, которые в наших тканях формируют пространственную сеть и связывают клетки между собой в единое целое, формируя ткань или орган. То есть, они (эти белки и полисахариды матрикса) находятся между клетками и, помимо прочего регулируют кислотность межклеточной среды, ее буферные свойства и обеспечивают клеткам биохимические и механические сигналы. Так вот, когда агрегаты из эмбриональных стволовых клеток помещали в полужидкую среду, в которую добалены белки внеклеточного матрикса, то эти агрегаты неожиданно продолжали развиваться дальше, в сторону эмбриона более поздних стадий. У такого эмбриона формируется нервная трубка и регулярно повторяющиеся шарообразные образования по бокам нервной трубки - сомиты, из которых, как я упоминал выше, в норме развиваются повторяющиеся элементы тела, вроде ребер и мышц слева и справа от продольной оси. Больше того, сам этот псевдо-эмбрион и боковые образования, сомиты, имели отчетливо выраженную полярность (все, как в нормальном эмбрионе). Например, наружная сторона сомита отличалась от той стороны, которая ближе к нервной трубке и прикреплена к ней (так наз. апико-базальная полярность). Из этого следует, что эти элементы псевдо-эмбриона не являются результатом простой агрегации клеток, а происходят за счет почти нормального процесса клеточного созревания, при котором одни клетки приобретают свойства, отличающие их от других, соседних клеток.

Но как элементы внеклеточного матрикса (белки и полисахариды) могут регулировать развитие эмбриона вне тела матери? Молекулярный анализ показал, что один из таких белков матрикса, фибронектин, избирательно накапливался на границе между формирующимся псевдо-эмбрионом и полужидкой средой, в которой он находится, образуя что-то вроде повторяющихся слоев или сетки, окружающей сомиты. А на самих сомитах появлялись в большом количестве специальные молекулы (интегрины), которые могут узнавать фибронектин и посылать особые сигналы внутрь клеток сомитов. При этом в сомитах работали все те биохимические сигнальные пути, что и в нормальном эмбрионе, развивающимся в теле матери (т.е. это так наз. WNT и BMP пути). Если на них химически воздействовать, то количество сомитов (из которых, напомню, образуются повторяющиеся элементы тела, вроде позвонков, ребер, мышц слева и справа и т.д.) резко возрастало, напоминая виноградные гроздья.

Все эти элементы эмбриона, о которых сказано выше (нервная трубка, сомиты, и то, что развивается из них), возникают не одновременно, а следуют молекулярным часам (т.е. сначала одна структура, потом другая, за ней третья и т.д.). То же самое наблюдалось и в псевдо-эмбрионе вне тела матери, что показывает, что эмбрион и псевдо-эмбрион следуют через одни и те же этапы в своем развитии. И еще интересно, в нормальном эмбрионе, развивающемся в теле матери, мутация или потеря гена Tbx6 приводит к развитию дополнительных нервных трубок (из которых формируется центральная нервная система - головной и спинной мозг), в то время как число сомитов снижается. Показали, что то же самое происходит и в псевдо-эмбрионе вне тела матери. Если из эмбриональных стволовых клеток удалить ген Tbx6, и поместить агрегаты таких клеток в полужидкую среду, в которую добалены компоненты внеклеточного матрикса, то образуются дополнительные нервные трубки, тогда как число сомитов оказывается сниженным.

Таким образом, самые ранние стадии развития эмбриона можно воспроизвести в искусственных условиях. Речь тут, конечно, не идет о клонировании организмов в обход нормальных природных процессов (во всяком случае, пока!), но это представляет значительный прогресс в нашем понимании этих самых ранних этапов, когда можно направленным образом фиксировать и исправлять генетические нарушения.

https://science.sciencemag.org/content/370/6522/eaba4937.long

На рисунке - коллаж. Показана техника микрохирургии и нормальное развитие зародыша.

Источник: science.sciencemag.org

Комментарии: