Эмбрионы, управляемые светом, раскрывают силу механических сил в развитии человека

от

Только через две недели после оплодотворения начинают проявляться первые признаки формирования трёх осей человеческого тела (голова/хвост, брюшная/спинная и правая/левая стороны). На этом этапе, известном как гаструляция, плоский и однородный слой клеток складывается в живой план тела — мимолетное преобразование в оси и слои, которые определят развитие каждой ткани. Этот важнейший момент долгое время был недоступен для изучения наукой, поскольку происходил слишком рано и глубоко в матке.

Новое исследование показывает, что этот ключевой шаг в развитии человека определяется точным взаимодействием между химическими сигналами и физическими силами. В статье, опубликованной в журнале Cell Stem Cell, представлен световой синтетический инструмент для изучения эмбрионов, который позволяет исследователям активировать ключевые белки развития, инициирующие гаструляцию.

Когда команда использовала свет для активации одного из этих белков, BMP4, они обнаружили, что одних химических сигналов недостаточно — трансформация начиналась только тогда, когда клетки находились в правильных механических условиях. Результаты показывают фундаментальную взаимозависимость между механикой тканей и молекулярной сигнализацией, предлагая более достоверную модель раннего развития человека и потенциальную основу для будущих регенеративных терапий и лечения бесплодия.

«Мы можем теперь генерировать самоорганизацию и различные типы клеток, просто освещая их светом», — говорит Али Х. Бривануло, руководитель Лаборатории синтетической эмбриологии. «Это позволило нам сделать крупное открытие о роли механических сил в эмбриональном развитии».

Гаструляция начинается с нарушения симметрии. Однородный слой эмбриональных клеток организуется в трёхмерную ось «голова-хвост» — пространственный план, который определяет, где в конечном итоге сформируются голова, позвоночник и конечности. Бривануло и его коллеги десятилетиями разгадывали тайну этого ключевого этапа развития, используя модели животных и лабораторные исследования человеческих эмбриональных стволовых клеток.

«Гаструляция происходит в матке вскоре после имплантации, поэтому её невозможно изучить без использования человеческих плюрипотентных стволовых клеток in vitro», — говорит Риккардо Де Сантис, директор Центра ресурсов человеческих плюрипотентных стволовых клеток в Рокфеллеровском университете и соавтор исследования. «Наша цель состояла в том, чтобы открыть окно в момент развития, который иначе невозможно изучить in vivo».

Предыдущие работы показали, что биохимические сигнальные молекулы, такие как BMP4, влияют на поведение клеток и тканей, регулируя развитие эмбриона. Но исследования на эмбрионах лягушек и цыплят показали, что это только часть истории. Механическое напряжение, геометрия тканей и различные физические силы также, по-видимому, играют роль в развитии эмбрионов животных.

Де Сантис разработал оптогенетический инструмент, который позволяет команде исследовать взаимодействие между биохимическими сигналами и механическими силами в контексте развития человека. Создав человеческие эмбриональные стволовые клетки, реагирующие на свет, его система позволила исследователям активировать гены развития с исключительной точностью.

Когда клетки подвергались воздействию определённой длины волны света, они были спроектированы так, чтобы включить генетический переключатель, который постоянно активирует BMP4. Эта установка также позволяла учёным точно выбирать, когда и где активируется сигнал в группе эмбриональных клеток, что позволило им впервые проверить, как геометрия тканей и механическое напряжение в любой физической точке эмбриона могут влиять на развитие.

Когда команда использовала эту световую систему для активации сигнализации BMP4 в человеческих стволовых клетках, роль механических сил быстро стала очевидной. В культурах, где BMP4 активировался в неограниченных средах с низким напряжением, гаструляция никогда полностью не завершалась. Одного BMP4 было достаточно, чтобы вызвать появление внеэмбриональных типов клеток, таких как клетки амниона, но образец не смог сформировать мезодерму и энтодерму — слои, из которых строятся органы тела. Это продемонстрировало, что одних морфогенов недостаточно для гаструляции.

Но когда команда направила свой «пульт дистанционного управления» на края ограниченных колоний клеток и на клетки, встроенные в гидрогели, индуцирующие напряжение, недостающие слои гаструляции начали формироваться. Дальнейшие эксперименты показали, как механическое напряжение через YAP1 точно настраивает нижестоящие биохимические сигнальные пути, опосредованные WNT и Nodal, которые сообщают клеткам, какими типами тканей они должны стать.

Предыдущее исследование, проведённое старшим научным сотрудником Франческо Пикколо в сотрудничестве с покойным Джимом Хадспесом, руководителем Лаборатории сенсорной неврологии в Рокфеллеровском университете, показало, что ядерные уровни механосенсорного белка YAP1 играют решающую роль в регуляции самоорганизации в микропаттернах.

Настоящее исследование показало, что ядерный YAP1 действует как молекулярный тормоз гаструляции, предотвращая преждевременное начало этих трансформаций. Результаты показывают, что гаструляция может начаться только тогда, когда молекулярные сигналы и механическое напряжение совпадают — клетки, по-видимому, должны быть как химически подготовлены, так и физически настроены.

«Было так много красивой молекулярной биологии эмбриона, столько невероятной работы по передаче сигналов. Но мы, как сообщество, пренебрегали физическими силами», — говорит Бривануло. «Теперь ясно, что без механических сил мы не можем генерировать клетки для правильного эмбрионального развития».

Результаты не только демонстрируют силу оптогенетических инструментов и важность механических сил, но также предоставляют новую основу для понимания того, как человеческие эмбрионы организуют себя на самых ранних стадиях.

Чтобы дополнить эксперименты, Лоран Жютрас-Дюбе разработал математическую модель, которая действует как «цифровой двойник» развивающегося эмбриона. Эта компьютерная симуляция показывает, как биохимические сигналы, такие как BMP4, WNT и NODAL, перемещаются по тканям и взаимодействуют с физическими силами. Используя фактические измерения механического напряжения, модель может предсказать, как сигнальные паттерны и организация тканей приводят к образованию определённых клеточных слоёв.

Симуляции точно соответствуют тому, что наблюдалось экспериментально, демонстрируя, что как биохимические сигналы, так и механическое напряжение должны работать вместе, чтобы эта эмбриологическая сигнальная каскада могла самоорганизовываться. Такой интегрированный подход обеспечивает количественный способ понять, как эмбрион изменяется на ранних стадиях развития.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте