Ученые создали клетки, которые сами себя превращают в эмбрионы

Ученые нашли способ изучать раннее эмбриональное развитие без реальных эмбрионов. Используя технологию CRISPR, они запрограммировали стволовые клетки на самоорганизацию в структуры, имитирующие ранние эмбрионы. Клетки демонстрируют коллективное поведение, почти как если бы они инстинктивно «знали», что делать. Этот прорыв позволяет исследователям изучать генетические влияния на развитие, репродуктивные проблемы и потенциальные методы лечения бесплодия — и все это без использования реальных эмбрионов.

Самые ранние моменты после оплодотворения, когда сперматозоид встречается с яйцеклеткой, остаются одной из величайших загадок биологии. Ученые из разных областей заворожены тем, как одна клетка развивается в сложный организм. У многих животных эта трансформация происходит внутри защитной среды матки, что затрудняет прямое наблюдение.

В результате исследователи изо всех сил пытаются полностью понять, что может пойти не так на ранних стадиях развития и как внешние факторы могут помешать формированию эмбриона.

Чтобы преодолеть эти проблемы, ученые из Калифорнийского университета в Санта-Крусе спроектировали клеточные модели, которые воспроизводят первые несколько дней эмбрионального развития, не используя настоящие эмбрионы.

Используя методы на основе CRISPR, они направляют стволовые клетки к самоорганизации в «программируемые» эмбрионоподобные структуры, известные как эмбриоиды. Эти выращенные в лаборатории клеточные сборки не являются настоящими эмбрионами, но точно имитируют ключевые аспекты раннего развития, предоставляя мощный инструмент для изучения генетических и экологических влияний на эмбриональное формирование.

«Мы, как ученые, заинтересованы в воссоздании и повторном использовании природных явлений, таких как формирование эмбриона, в чашке Петри, чтобы проводить исследования, которые в противном случае было бы сложно проводить с естественными системами», — сказал Али Шариати, доцент кафедры биомолекулярной инженерии и старший автор исследования.

По его словам, исследователи хотят узнать, как клетки организуются в эмбрионоподобную модель, и что может пойти не так, когда возникают патологические состояния, которые мешают животному успешно развиваться.

Шариати является экспертом в области инженерии стволовых клеток, в которой стволовые клетки (неспециализированные клетки, способные образовывать любые типы клеток, например, клетки кишечника или мозга) используются для изучения и решения биологических и медицинских проблем.

В этом проекте, возглавляемом постдокторантом Калифорнийского университета в Санта-Крузе Джерральдом Лодевейком и выпускницей факультета биомолекулярной инженерии, а ныне аспиранткой Калифорнийского технологического института Саякой Козуки, использовались мышиные стволовые клетки, которые обычно выращиваются в лабораторных условиях, чтобы направить их на формирование основных строительных блоков эмбриона.

Команда использовала версию технологии CRISPR, известную как редактор эпигенома, которая не разрезает ДНК, а вместо этого изменяет то, как она выражается. Они нацелились на области генома, которые, как известно, участвуют в развитии раннего эмбриона. Это позволило им контролировать, какие гены активируются, и вызывать создание основных типов клеток, необходимых для раннего развития.

«Мы используем стволовые клетки, которые подобны чистому холсту, и применяем их для индукции различных типов клеток с помощью наших инструментов CRISPR», — сказал Лодевиджик.

Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет различным типам клеток «совместно развиваться», что больше напоминает естественное формирование эмбриона, чем химические подходы, которые другие ученые использовали для развития различных типов клеток.

«Эти клетки развиваются вместе, как в настоящем эмбрионе, и устанавливают эту историю соседства, — сказал Шариати. — Мы не меняем их геном и не подвергаем их воздействию определенных сигнальных молекул, а скорее активируем существующие гены».

Группа ученых обнаружила, что 80% стволовых клеток в течение нескольких дней организуются в структуру, которая имитирует самую простую форму эмбриона, и большинство из них подвергаются активации генов, которая отражает процесс развития, происходящий в живых организмах.

«Сходство поразительно в том, как клетки организуются, а также в молекулярном составе, — сказал Шариати. — Клеткам требуется очень мало информации от нас, как будто клетки уже знают, что делать, и мы просто даем им небольшое руководство». Исследователи также заметили, что клетки демонстрируют коллективное поведение, двигаясь и организуясь вместе.

«Некоторые из них начинают совершать эту вращательную миграцию, почти как коллективное поведение птиц или других видов, — добавил Шариати. — Благодаря этому коллективному поведению и миграции они могут формировать эти захватывающие эмбриональные узоры».

Наличие точной базовой модели, отражающей раннюю стадию развития эмбриона живого организма, может позволить ученым лучше изучать и узнавать, как лечить нарушения развития или мутации. «Эти модели дают более полное представление о том, что происходит на ранних стадиях развития, и могут улавливать фон», — объясняет Лодевейк.

Программирование CRISPR не только позволяет ученым активировать гены в начале процесса эксперимента, но также позволяет им активировать или модифицировать гены, важные для других частей развития.

Это, по словам исследователей, позволяет моделям эмбрионов быть «программируемыми», то есть на них можно относительно легко влиять с высоким уровнем контроля, чтобы нацеливаться и тестировать воздействие нескольких генов по мере развития модели эмбриона, выявляя те из них, которые оказывают пагубные эффекты при включении или выключении.

В качестве примера исследователи продемонстрировали, как формируются или тормозятся определенные ткани на ранних этапах развития, однако их методы можно использовать для изучения широкого спектра генов и их каскадного воздействия на типы клеток.

«Я думаю, что это новаторская работа данного исследования — программируемость и то, что мы не полагаемся на внешние факторы, чтобы сделать это, а имеем большой контроль внутри клетки», — заявил Шариати.

Исследователи интересуются, как этот подход можно использовать для изучения других видов, что позволит изучить формирование их эмбрионов, даже не используя их настоящие эмбрионы.

Группа ученых утверждает, что это исследование может позволить изучить узкие места, которые приводят к сбою воспроизводства на ранних стадиях. Среди млекопитающих люди сталкиваются с большими проблемами воспроизводства, поскольку человеческие эмбрионы часто не могут имплантироваться или установить правильную раннюю организационную форму. Понимание того, почему это так, может помочь добиться прогресса в улучшении человеческой фертильности.

Другое исследование, проведенное в Лаборатории геномики одноклеточных организмов и динамики популяций Рокфеллеровского университета, ранее показало, что старение происходит на клеточном уровне. Руководитель лаборатории Цзюньюэ Цао и его команда использовали секвенирование одиночных клеток для анализа более 21 млн клеток из всех основных органов мышей на пяти разных стадиях жизни. В результате этих усилий был создан крупнейший в мире клеточный атлас, собранный в рамках одного исследования.