Исследование показало, как решения в эмбриональном развитии контролируются несколькими сигнальными путями одновременно
Исследовательская группа из Университета Райса под руководством Арье Вармфлеша добилась прогресса в понимании процессов, управляющих развитием человеческого эмбриона. Результаты работы опубликованы в журнале Cells Systems 15 мая.
Эмбриональное развитие — путь от одной оплодотворённой яйцеклетки к сложному организму — регулируется сложными взаимодействиями биохимических сигналов. Однако механизмы, с помощью которых клетки интерпретируют эти сигналы для принятия ключевых решений о развитии, оставались неясными.
В исследовании приняли участие постдокторант и нынешний руководитель группы в Андалузском центре биологии развития Елена Камачо-Агилар, студентка-антрополог Сумин Юн, аспиранты Мигель А. Ортис-Саласар и Сици Ду, а также лаборант М. Сесилия Герра. Они сосредоточились на изучении гаструляции человека — ключевой стадии, на которой клетки дифференцируются в три зародышевых листка: эктодерму, мезодерму и энтодерму.
Хотя предыдущие исследования выявили участие нескольких сигналов, таких как костный морфогенетический белок (BMP) и сигнальный путь WNT, точные механизмы их интерпретации клетками для формирования разных типов клеток оставались неясными.
Чтобы найти ответ, учёные использовали человеческие плюрипотентные стволовые клетки (hPSCs), которые имитируют состояние клеток непосредственно перед гаструляцией. Они предположили, что продолжительность и концентрация сигналов BMP могут определять судьбу клетки, и провели эксперименты, подвергая hPSCs воздействию различных режимов сигналов BMP.
Вопреки прежним предположениям, исследование показало, что именно продолжительность воздействия сигнала BMP, а не его сила, играет решающую роль в определении клеточной судьбы. Кратковременные воздействия высокой концентрации BMP вызывали значительные изменения, особенно в сторону мезодермы, тогда как постоянные слабые сигналы давали менее выраженный результат.
Математическое моделирование этих процессов позволило исследователям предсказать результат для любой комбинации сигналов BMP и WNT. Команда построила подробную «карту судеб» клеток, предсказывающую эти исходы. Используя эту карту, исследователи разработали новый протокол, оптимизирующий формирование мезодермы, что может быть полезно для таких областей, как регенеративная медицина.
«Наши результаты подчёркивают важность понимания динамики сигнальных путей для управления решениями о клеточной судьбе», — сказала Камачо-Агилар. — «Расшифровав эти механизмы, мы можем создавать эффективные протоколы дифференцировки, которые могут быть применимы в терапии».