Ученые определили гены, работающие в первые дни жизни эмбриона человека

Шведские ученые впервые определили генетическую программу первых трех дней развития человеческого эмбриона, зафиксировав процессы в решающие часы после слияния яйцеклетки и сперматозоида.

Порядок активации 23 000 генов человека в начале формирования организма ранее не был изучен. Именно в эти моменты решается, будет ли эмбрион развиваться или погибнет, и могут быть заложены самые ранние предпосылки заболеваний.

Через 24 часа после оплодотворения яйцеклетка делится, образуя двухклеточную зиготу. К концу второго дня — четыре клетки, к третьему дню — обычно восемь. В течение этих трех дней эмбрион еще не имплантировался в стенку матки.

Из этой неоформленной массы к моменту рождения разовьются миллиарды специализированных клеток. Каждая из них формируется и получает свою функцию по инструкциям генов, присутствующих с самого начала, но активирующихся последовательно.

Знание того, какие и сколько генов включаются первыми, может раскрыть множество тайн, в том числе — как из двух простых клеток создается человек.

Исследование процесса может показать, имеет ли ДНК, долго считавшаяся «мусорной», на самом деле важную функцию. Оно также может повысить эффективность процесса перепрограммирования взрослых клеток в плюрипотентные стволовые для лечения болезней.

Результаты могут помочь специалистам по лечению бесплодия выбирать, какие 4-5-дневные эмбрионы (бластоцисты) переносить из чашки Петри в матку. Они также могут пролить свет на происхождение тяжелых генетических заболеваний и возможности их ранней диагностики или предотвращения.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показало, что через два дня после оплодотворения активны только 32 из 23 000 генов человека. К третьему дню активировано 129 генов.

Старший автор работы, молекулярный генетик Юха Кере из Каролинского института, назвал эти гены «ключом зажигания», запускающим развитие эмбриона. Наблюдение за их активацией он сравнил с тем, как «бросить камень в воду и наблюдать за расходящимися волнами».

Не все эти «ключи» были известны генетикам. Семь из 129 генов, активных в самые ранние дни зиготы, были обнаружены впервые.

Некоторые из этих новых генов взаимодействовали с повторяющимися последовательностями ДНК, долго называвшимися «мусорными», так как они не несут инструкций для производства белка. Это наблюдение предполагает, что некоторые последовательности, считавшиеся бесполезными, могут быть ключевыми для запуска развития плода. Выполнив эту функцию, они, как предполагает исследование, могут «уйти на покой».

Для получения этих данных команда собрала 348 отдельных клеток: ооцитов (незрелых яйцеклеток), зигот и бластомеров (2-3-дневных эмбрионов из 2-10 клеток). Все образцы были пожертвованы для исследований.

Ученые секвенировали 372 образца (348 основных и 24 контрольных). Сосредоточившись на переходах от одной яйцеклетки к четырехклеточной зиготе и от четырех- к восьмиклеточной, они получили 1,58 миллиарда прочтений.

Исследование 2013 года, изучавшее переход зиготы от 4 к 8 клеткам, предполагало, что на этой ранней фазе может активироваться гораздо больше генов — 2 495. Авторы новой работы утверждают, что использованные ими методы интерпретации данных, вероятно, дают более реалистичный подсчет.

Если это так, то акт творения, порождающий человека, совершается с удивительной бережливостью.

В конечном итоге для создания человека могут потребоваться тысячи генов, включающихся и выключающихся в невероятно сложных паттернах. Но на следующий день после встречи яйцеклетки и сперматозоида, как пишут авторы, всего 32 гена «могут быть достаточны для инициации развития эмбриона», и эта элитная группа возрастает лишь до 129 к третьему дню.