Окончательная архитектура тела млекопитающих устанавливается вскоре после имплантации эмбриона в матку. Передне-задняя, дорсо-вентральная и медиолатеральная оси тела организуются под контролем генных сетей, которые координируют транскрипцию ДНК в различных областях эмбриона. Исследователи из Женевского университета (UNIGE), Кембриджского университета, Великобритания, и Федерального технологического института Лозанны (EPFL) теперь сообщают о способности стволовых клеток мыши производить псевдоэмбрионы, обладающие аналогичными способностями. Созданные только из примерно 300 эмбриональных стволовых клеток, эти структуры, называемые гаструлоидами, демонстрируют особенности развития, сравнимые с характеристиками задней части эмбрионов в возрасте от 6 до 10 дней. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что три основные оси эмбриона формируются в соответствии с программой экспрессии генов, аналогичной программе эмбрионов. Таким образом, гаструлоиды обладают замечательным потенциалом для изучения ранних стадий нормального или патологического эмбрионального развития млекопитающих.
Изучение процессов, управляющих формированием ранних эмбрионов млекопитающих, затруднено из-за сложности их получения. Группа Альфонсо Мартинеса Ариаса, профессора кафедры генетики Кембриджского университета, Великобритания, недавно обнаружила, что при определенных условиях мышиные эмбриональные стволовые клетки могут собираться в трехмерные агрегаты, которые продолжают удлиняться в культуре. Эти объекты, называемые «гаструлоидами», демонстрируют различные характеристики ранних стадий эмбрионального развития.
Взаимозависимые процессы развития
«Чтобы определить, организуются ли гаструлоиды в настоящие эмбриональные структуры, мы охарактеризовали уровень их генетической активации на разных стадиях развития», - объясняет Денис Дюбуль, профессор кафедры генетики и эволюции факультета естественных наук UNIGE. и в Швейцарском институте экспериментальных исследований рака EPFL. Исследователи идентифицировали и количественно оценили РНК, транскрибированную из гаструлоидов, и сравнили экспрессированные гены с генами мышиных эмбрионов на сопоставимых стадиях развития.
«Гаструлоиды образуют структуры, похожие на заднюю часть эмбриона, программа развития которых несколько отличается от программы развития головы», - говорит Леонардо Беккари, ученый из Женевской группы и соавтор исследования. Эти псевдоэмбрионы экспрессируют гены, характерные для различных типов клеток-предшественников, необходимых для строения будущих тканей. «Сложность профилей экспрессии генов со временем увеличивается с появлением маркеров из разных эмбриональных клеточных линий, очень похожих на профили, наблюдаемые у контрольных эмбрионов», - отмечает Наоми Морис, ученый из Кембриджской группы и соавтор статьи.
Архитектурные гены активируются как в эмбрионе
Во время формирования передне-задней, дорсо-вентральной и медиолатеральной осей гаструлоидов члены этих команд могли визуализировать удивительное свойство; 'архитекторные' гены Hox, которые обычно активируются в точном последовательном порядке у эмбрионов, одинаково хорошо активировались у гаструлоидов, выращенных in vitro.«Внедрение сети генов Hox с течением времени, которая имитирует сеть хвоста эмбриона, подтверждает удивительно высокий уровень самоорганизации гаструлоидов», - объясняет Мехмет Гиргин, генетик из EPFL и соавтор исследования.
Эти искусственные псевдоэмбрионы в некоторых случаях предлагают альтернативный метод экспериментам на животных в соответствии с 3R. Принцип 3R (сокращение, замена, уточнение) зарекомендовал себя на международном уровне как основа этического подхода, применяемого к экспериментам на животных. Он направлен на сокращение количества используемых животных, улучшение экспериментальных условий для улучшения благополучия животных и, в конечном итоге, на попытку заменить модели животных другими экспериментальными методами, когда это возможно. Гаструлоиды дополнят использование эмбрионов животных, тем самым сократив их число при изучении эмбрионального развития млекопитающих.