Формирование осей тела — важнейшая часть эмбрионального развития. Они гарантируют, что все части тела окажутся на своих местах и что на спине не вырастут уши. Например, ось голова-хвост определяет ориентацию двух концов тела. Ранее предполагалось, что эта ось в значительной степени определяется взаимодействием сигналов Nodal и BMP.
Однако, как оказалось, в этой системе есть еще один игрок, что и обнаружили исследовательские группы под руководством Кристиана Шрётера из Института молекулярной физиологии Макса Планка в Дортмунде и Ивана Беджова из Института молекулярной биомедицины Макса Планка в Мюнстере с помощью разработанной ими эмбрионоподобной модельной системы. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
В отсутствие BMP сигнальная молекула бета-катенин берет на себя роль антагониста Nodal. Этот новый механизм может стать гибким решением для формирования оси у эмбрионов различной формы.
Основной план нашего тела определяется на ранних этапах эмбрионального развития формированием трех осей тела. Проще говоря, они определяют, где находятся верх и низ, перед и зад, право и лево. Ось голова-хвост определяет положение двух отверстий тела — рта и ануса. Активация различных регуляторных генов вдоль оси голова-хвост и двух других осей тела приводит к развитию определенных типов клеток и тканей.
Таким образом, оси определяют план последующей формы тела. Однако, несмотря на эту важную роль, многие вопросы о формировании оси остаются без ответа.
Мыши похожи на чашки
С точки зрения эволюции, ось голова-хвост является самой старой осью тела и определяется на ранних этапах эмбрионального развития. У мышей она формируется уже через несколько дней после оплодотворения. На этой стадии эмбрион похож на чашку, состоящую из двух слоев клеток и толстой крышки.
На дне чашки в наружном клеточном слое развивается новая популяция клеток — висцеральная эндодерма. Клетки этой так называемой передней висцеральной эндодермы (AVE) затем движутся к краю чашки и останавливаются примерно на полпути. В этот момент из внутреннего клеточного слоя чашечки, эпибласта, развивается голова, а на противоположной стороне — хвост.
Ранее предполагалось, что этот процесс запускается и контролируется антагонизмом двух молекулярных сигналов. Эпибласт выделяет Nodal, в то время как крышка, экстраэмбриональная эндодерма, выделяет аналог BMP. Дно чашки, наиболее удаленное от крышки, получает наименьшее количество сигнала BMP. В результате там преобладает сигнал Nodal и происходит дифференцировка популяции AVE.
Людям нравятся диски
В своем нынешнем исследовании ученые Макса Планка смогли выявить еще одного ключевого игрока в формировании оси. Для этого они разработали новую эмбрионоподобную модельную систему, состоящую из слоя эпибласта и слоя клеток VE — чашку без крышки. Они добились этого с помощью целенаправленной и контролируемой обработки эмбриональных стволовых клеток мыши факторами роста.
И несмотря на отсутствие BMP-сигнализации из внеэмбриональной ткани, из VE-клеток смогла сформироваться популяция клеток AVE — отправная точка для развития первой оси тела. Исследователи смогли показать, что для этого необходим бета-катенин — сигнальная молекула, которая ранее была известна только как регулятор другой оси тела в эмбриональном развитии.
«Вполне возможно, что бета-катенин также играет важную роль в развитии оси голова-хвост у человеческих эмбрионов. Человеческий эмбрион больше напоминает диск, чем чашу. Поэтому вполне вероятно, что распределение BMP совершенно иное, чем у эмбриона мыши, и что в формировании первой оси тела играют роль другие механизмы«, — говорит Кристиан Шрётер.
Стволовые клетки на одной волне
«Наши двухслойные эмбрионоподобные агрегаты стали ключом к успеху. В других исследованиях обычно используется смесь различных линий стволовых клеток. Однако клеточные популяции, которые мы использовали, происходят только от одной линии стволовых клеток. Это означает, что они не только имеют идентичный генетический фон, но и используют одни и те же коммуникационные системы. Можно также сказать, что они находятся на одной длине волны«, — говорит Шрётер.
«Агрегаты эмбриональных стволовых клеток человека, смоделированные на основе нашей системы, могут стать перспективным экспериментальным инструментом для изучения событий в ходе эмбрионального развития в будущем«.
