Сходящееся развитие: как пути клеток объединяются в эмбрионе
Исследователи, отслеживая судьбу отдельных эмбриональных стволовых клеток, обнаружили, что клетки энтодермы — ранние эмбриональные клетки, дающие начало тканям вроде кишечника и лёгких — происходят из множества сходящихся путей развития. Это бросает вызов давним представлениям о том, что клетки следуют линейным траекториям.
Как объясняет руководитель группы в Институте Фрэнсиса Крика Сильвия Сантос, во время раннего развития, в фазе гаструляции, эмбрион превращается из одного слоя клеток в многослойную структуру. Формируются три зародышевых листка, которые впоследствии становятся разными тканями тела. Однако вопрос о том, как именно клетки специализируются, чтобы стать частью энтодермы (внутреннего слоя), оставался дискуссионным.
Пути на карте
В новой работе, опубликованной в Developmental Cell, команда Сантос объединила методы одноклеточной транскриптомики, количественной визуализации живых клеток и математического моделирования, чтобы отследить судьбу клеток.
Они обнаружили, что единого пути не существует. Ранее предложенные модели — «традиционная» линейная и более динамичная — не являются конкурирующими объяснениями, а представляют собой взаимодополняющие снимки развития. Учёные представили объединяющую модель, которая примиряет конфликтующие теории спецификации мезодермы и энтодермы.
Влияние сигнальных молекул
Команда также наблюдала влияние двух важных сигнальных молекул — Activin и BMP4. Они работали как вместе, так и в конкуренции, определяя, какой путь выберут клетки.
«Мы наблюдали определённые временные окна, когда клетки были чувствительны к этим сигналам, — объясняет ведущий автор исследования Олли Индж. — Их относительные концентрации в этот период определяли, какой путь выберут клетки».
Индж определил BMP4 как основной драйвер клеточной линии, поскольку его относительная концентрация по сравнению с Activin была ключевой в направлении клеток либо к прямой специализации в энтодерму, либо через состояние мезодермы.
Важность сходимости
Загадкой остаётся, почему клетки могут идти разными путями к одной и той же судьбе, особенно когда некоторые пути кажутся более прямыми.
«Мы думаем, это признак того, насколько важна эта стадия развития, — предполагает Сантос. — Неспособность дифференцироваться в зародышевые листки во время гаструляции — одна из основных причин потери беременности. Без правильного формирования энтодермы эмбрионы не смогли бы затем сформировать жизненно важные внутренние органы. Таким образом, сходимость этих клеточных линий обеспечивает надёжный фундамент для нашего развития».
«Только благодаря междисциплинарному подходу — объединению (транскриптомных, математических и визуализационных методов — мы смогли понять на уровне отдельной клетки, как эмбриональные клетки выбирают свою судьбу и раскрыть ключевые чертежи раннего развития», — добавляет Индж.