Buněčné modely embryí nabízejí nahlédnutí do raných vývojových procesů

Nejčasnější dny po oplodnění, jakmile se spermií setká s vajíčkem, jsou zahaleny vědeckým tajemstvím.

Proces toho, jak se skromná jediná buňka stává organismem, fascinuje vědce napříč disciplínami. U některých zvířat probíhá celý proces buněčného násobení, generování specializovaných buněk a jejich organizace do uspořádaného mnohobuněčného embrya v ochranném prostředí dělohy, což je přímé pozorování a studie náročné. To ztěžuje vědcům pochopit, co se během tohoto procesu může pokazit a jak specifické rizikové faktory a okolní prostředí mohou zabránit tvorbě embryí.

Vědci v UC Santa Cruz byli schopni vytvořit buněčné modely embryí, aniž by experimentovali s jakýmikoli skutečnými embryími, což jim umožnilo napodobit prvních několik dní poté, co se dvě sexuálně reprodukční buňky setkávají. Používají inženýrské metody založené na CRISPR k vyzvání kmenových buněk k uspořádání do „programovatelných“ embryových struktur, známých také jako embryoidy, které lze použít ke studiu role určitých genů v časném vývoji. Tyto struktury nejsou skutečnými embryími, ale o sestavení laboratorních buněk, které se samoorganizují způsoby, které napodobují některé aspekty raných vývojových stádií. Jejich výsledky jsou publikovány v předním časopisovém časopise Buněčné buňky.

My jako vědci máme zájem o obnovení a opětovné upravení přírodních jevů, jako je tvorba embrya, v misce, abychom umožnili studie, které jsou jinak náročné dělat s přírodními systémy. Chceme vědět, jak se buňky organizují do modelu podobného embrymu a co by se mohlo pokazit, když existují patologické podmínky, které brání úspěšnému rozvoji zvířete. “

Ali Shariati, odborný asistent biomolekulárního inženýrství a vedoucího studie

Buněčný vývoj

Shariati je odborník na inženýrství kmenových buněk, pole, které používá kmenové buňky – nespecializované buňky, které mohou tvořit jakýkoli typ buňky, jako jsou střevní nebo mozkové buňky – ke studiu a řešení biologických a zdravotních problémů.

Tento projekt vedený postdoktorandským učencem UCSC Gerrald Lodewijk a biomolekulárním inženýrstvím a současným postgraduálním studentem Caltech Sayaka Kozuki, používal myší kmenové buňky, které se běžně pěstují v laboratoři, aby je vedly do základních stavebních bloků embryí.

Tým použil verzi technologie CRISPR známé jako editor epigenomu, která neřeže DNA, ale místo toho upravuje, jak je vyjádřena. Zaměřili se na regiony genomu, o nichž je známo, že se podílejí na vývoji raného embrya. To jim umožnilo kontrolovat, které geny byly aktivovány, a indukovat vytváření hlavních typů buněk potřebných pro časný vývoj.

„Používáme kmenové buňky, které jsou jako prázdné plátno, a používáme je k vyvolání různých typů buněk pomocí našich nástrojů CRISPR,“ řekl Lodewijik.

Tato metoda měla tu výhodu, že umožnila různým typům buněk „společně se rozvíjet“, což se více podobá přirozené tvorbě embryí než chemické přístupy, které ostatní vědci použili k vývoji různých typů buněk.

„Tyto buňky se společně vyvíjejí, stejně jako ve skutečném embryu, a prokazují, že historie bytí sousedů,“ řekl Shariati. „Nezměňujeme jejich genom ani je nevystavujeme specifickým signalizačním molekulám, ale spíše aktivujeme existující geny.“

Tým zjistil, že 80% kmenových buněk se organizuje do struktury, která napodobuje nejzákladnější formu embrya po několika dnech, a většina podléhá aktivaci genů, která odráží vývojový proces, ke kterému dochází v živých organismech.

„Podobnost je pozoruhodná ve způsobu, jakým se buňky organizují, stejně jako molekulární složení,“ řekl Shariati. „(Buňky vyžadují) od nás velmi málo vstupů – je to, jako by buňky již věděly, co mají dělat, a my jim jen trochu dáváme vedení.“

Vědci pozorovali, že buňky vykazovaly kolektivní chování při pohybu a organizaci společně.

„Někteří z nich začínají dělat tuto rotační migraci, téměř jako kolektivní chování ptáků nebo jiných druhů,“ řekl Shariati. „Prostřednictvím tohoto kolektivního chování a migrace mohou tvořit tyto fascinující embryonální vzorce.“

„Programovatelné“ modely

Mít přesný základní model, který odráží časné embryo živých organismů, by mohlo vědcům umožnit lépe studovat a naučit se léčit vývojové poruchy nebo mutace.

„Tyto modely mají úplnější reprezentaci toho, co se děje v raných fázích vývoje, a mohou zachytit pozadí,“ řekl LoDewijik.

Programování CRISPR nejen umožňuje vědcům aktivovat geny na začátku experimentového procesu, ale také jim umožňuje aktivovat nebo modifikovat geny důležité pro jiné části vývoje. To umožňuje, aby embryo modely byly „programovatelné“, což znamená, že mohou být relativně snadno ovlivněny vysokou úrovní kontroly, aby se zaměřily a testovaly dopad více genů, jak se vyvíjí embryový model, a osvětluje, které mají škodlivé účinky, když jsou zapnuty nebo vypnuty.

Jako příklad vědci prokázali, jak se určité tkáně vytvářejí nebo jsou bráněny během časného vývoje, ale jejich metody by mohly být použity ke studiu široké škály genů a jejich kaskádových účinků na typy buněk.

„Myslím, že se jedná o průkopnickou práci této studie – programovatelnost a že se na to nespoléháme na vnější faktory, ale spíše máme v buňce hodně kontroly,“ řekl Shariati.

Vědci se zajímají o to, jak by mohl být tento přístup použit ke studiu jiných druhů, což umožňuje pohled do jejich tvorby embryí, aniž by někdy používali jejich skutečná embrya.

Tento výzkum by mohl umožnit studium úzkých míst, která vedou reprodukci k selhání v raných stádiích. Mezi savci mají lidé více reprodukčních problémů v tom, že lidská embrya často nedokážou implantovat nebo vytvořit správnou ranou organizační formu. Pochopení toho, proč tomu tak je, by mohlo pomoci dosáhnout pokroku ke zlepšení lidské plodnosti.