Загадка происхождения человеческого позвоночника
Позвоночный столб является центральной опорной структурой скелета у всех позвоночных. Он не только обеспечивает место для прикрепления мышц, но и защищает спинной мозг и нервные корешки. Известно, что дефекты его развития вызывают редкие наследственные заболевания. Исследователи из группы Ebisuya в EMBL Barcelona создали 3D-модель in vitro, которая имитирует то, как структуры-предшественники, дающие начало позвоночнику, формируются во время эмбрионального развития человека. Позвоночный столб состоит из 33 позвонков, которые образуют пары структур-предшественников, называемых сомитами. Сомиты дают начало не только нашим позвонкам, но и нашим ребрам и скелетным мышцам.
Чтобы гарантировать правильное формирование этих структур, развитие сомитов строго регулируется, и каждая пара сомитов возникает в определенный последовательный момент времени в развитии. Этот процесс контролируется часами сегментации, которые представляют собой группу генов, создающих колебательные волны, каждая волна порождает новую пару сомитов. «Впервые нам удалось создать в лаборатории периодические пары зрелых сомитов человека, связанные с часами сегментации», — сказала Марина Санаки-Мацумия, первый автор исследования, опубликованного в Nature Communications. Используя этот подход, исследователи разработали 3D-модель образования сомитов человека in vitro, также известную как сомитогенез.
Создание надежного процесса сомитогенеза
Команда культивировала индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки (hiPSC) в присутствии коктейля сигнальных молекул, которые вызывают дифференцировку клеток. Через три дня клетки начали удлиняться и образовывать переднюю (вверху) и заднюю (внизу) оси. В этот момент ученые добавили Matrigel в культуральную смесь.
Матригель — это то, что некоторые ученые называют волшебным порошком: белковая смесь, имеющая решающее значение для многих процессов развития. Этот процесс в конечном итоге привел к формированию сомитоидов – in vitro эквивалентов структур предшественников сомитов человека. Чтобы проверить, регулируют ли часы сегментации сомитогенез в этих сомитоидах, исследователи отслеживали паттерны экспрессии HES7, основного гена, участвующего в этом процессе. Они обнаружили явные признаки колебаний, особенно перед началом сомитогенеза. Сформировавшиеся сомиты также имели четкие маркеры эпителизации — важного шага в их созревании.
Размер сомитов имеет значение
Группа Эбисуя изучает, чем и почему мы, люди, отличаемся от других видов, когда дело доходит до эмбрионального развития. Одной из модельных систем, которую они используют для понимания межвидовых различий, являются часы сегментации. В 2020 году группа обнаружила, что период колебаний часов сегментации человека длиннее часов сегментации мыши.
Текущее исследование также показывает связь между размером сомитов и часами сегментации. «Созданные сомиты имели постоянный размер, независимо от количества клеток, использованных для начального сомитоида. Размер сомитов не увеличивался, даже если исходное количество клеток увеличивалось», — объяснил Санаки-Мацумия. «Это говорит о том, что сомиты имеют предпочтительный видоспецифичный размер, который может определяться локальными межклеточными взаимодействиями, часами сегментации или другими механизмами».
Для дальнейшего изучения Мики Эбисуя и ее группа теперь планируют выращивать сомитоиды разных видов и сравнивать их. Исследователи уже работают над несколькими видами млекопитающих, включая кроликов, крупный рогатый скот и носорогов, создавая в лаборатории «зоопарк стволовых клеток». «Наш следующий проект будет сосредоточен на создании сомитоидов разных видов, измерении их клеточной пролиферации и скорости миграции клеток, чтобы установить, что и как сомитогенез отличается у разных видов», — сказал Эбисуя.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
