Как клетки-предшественники кишечника обретают судьбу
Все животные начинают развитие с эмбриона. Именно здесь однородные клетки делятся и дифференцируются, закладывая основу для будущих структур, таких как скелет и пищеварительная система. Хотя биологам известно о сигнальных процессах на этой стадии, не было чёткого объяснения, как всё это объединяется в единую систему.
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) выяснили, как определённые наборы клеток в эмбрионах морского ежа дифференцируются, становясь энтодермой — ранней областью эмбриона, из которой в итоге формируется кишечник. Результаты опубликованы в статье "A gene regulatory network controlling the embryonic specification of endoderm" в журнале Nature онлайн 29 мая.
"Если вы посмотрите только на генетическую информацию клеток эмбриона, у них у всех один и тот же геном, и все они начинаются с одноклеточной зиготы, — говорит соавтор исследования Изабель С. Питер. — Но затем клетки начинают делиться, и в какой-то момент они перестают быть идентичными в экспрессии генов. Мы хотели понять, как достигается этот процесс".
Чтобы недифференцированные клетки изменили состояние и стали конкретной частью тела, нужна экспрессия правильных генов и репрессия неправильных. Ключевую роль играют регуляторные гены, контролирующие экспрессию других генов. Они формируют генно-регуляторную сеть (GRN), которая выдаёт инструкции по дифференцировке, включая и выключая гены в определённое время эмбрионального развития.
В этой работе Изабель Питер и Эрик Х. Дэвидсон систематически проанализировали процесс спецификации, контролируемый GRN, и впервые составили "генеральный план", показывающий взаимосвязи между всеми регуляторными генами в конкретных частях эмбриона.
Они изучали эмбрионы морского ежа в течение 24 часов, начиная с 8-го часа существования эмбриона. В этот период в эмбрионе существуют разные физические домены, каждый из которых представляет будущую структуру тела, например, кишечник. Исследованы все известные регуляторные гены морского ежа, экспрессирующиеся в эмбрионе. Оказалось, что определённые регуляторные гены экспрессируются в клетках каждого домена. Некоторые домены экспрессируют общие регуляторные гены, но комбинация генов в каждом домене уникальна. Процесс динамичен: локализация экспрессии генов меняется со временем.
"Это похоже на строительство сложного здания, — объясняет Дэвидсон. — И до того, как что-либо появится, строительные инструкции уже выданы всем рабочим. Они все знают, что им придётся делать, когда приедет бульдозер и начнёт перемещать грунт".
Команда сосредоточилась на точном определении регуляторных генов в развитии клеток-предшественников кишечника, отслеживая их от начальной стадии недифференцированных клеток до точки гаструляции. Во время гаструляции клетки энтодермы реорганизуются из одного слоя во внутреннюю трубку с тремя областями, которые служат основой для будущих структур передней, средней и задней кишки. Исследователи смогли определить, какие регуляторные гены экспрессировались в конкретное время 24-часового периода и как эти гены взаимодействовали друг с другом, включая и выключая друг друга.
"Инструкции для развития должны быть где-то в геноме, но вы удивитесь, насколько фрагментарной была информация о том, как это работает, до нашего системного анализа, — говорит Дэвидсон. — Это нельзя понять, глядя на один ген. Нельзя понять, глядя на треть генов. Нужно нанести на карту всю систему — и это мы сделали".
В 2008 году Дэвидсон, много лет изучающий биологические процессы морских ежей, впервые набросал приблизительную схему работы GRN для формирования скелетной системы.
"С этим новым исследованием мы ушли на световые годы вперёд. Тогда речь шла о решении подсетей, а теперь у нас есть структура, которая причинно объясняет гораздо более сложный процесс развития, необходимый для формирования кишечника, с точки зрения регуляторного кода инструкций генома".
Генно-регуляторные системы морских ежей, по словам Дэвидсона, наиболее близки (среди тщательно изученных беспозвоночных систем) к системам млекопитающих с точки зрения эволюционных отношений. Это означает, что механизмы, обнаруженные в работе, могут пролить свет на наши собственные регуляторные системы развития.
"Если вы считаете, что медицина — это наложение пластырей, то наша работа не имеет к этому отношения, — говорит Дэвидсон. — Но если вы верите, что мы должны понимать, как работает жизнь, прежде чем пытаться найти лекарство, когда что-то идёт не так, то понимание биологических процессов с их начальных стадий стоит на первом месте".
Следующая цель команды — применить свой структурный анализ к более поздним стадиям развития, когда кишечник уже присутствует.
"Мы хотели бы понять, как устанавливаются разные отделы кишечника, что также сделает работу более информативной для понимания развития человеческого кишечника", — говорит Питер.
Они также хотели бы расширить анализ на максимально возможную часть эмбриона морского ежа, а также формализовать свои выводы, чтобы создать абстрактную компьютерную модель работы генно-регуляторной системы. Это позволит проверить данную сеть и в конечном итоге проводить эксперименты с манипуляцией клетками для получения разных результатов.
"Всё, что происходит с нами или с любым животным во время развития, закодировано в геномных регуляторных инструкциях, — говорит Дэвидсон. — Теперь у нас есть объяснение, как это работает, и это очень захватывающе. Мы можем двигаться только вперёд".