Учёные нашли самый примитивный план создания клеток эмбриона

Исследование под руководством профессоров Йосси Буганима из Института медицинских исследований Медицинского факультета Еврейского университета в Иерусалиме (ЕУИ) и Томми Каплана из Школы компьютерных наук и инженерии и Департамента вычислительной биологии ЕУИ выявило 14 000 уникальных участков в ДНК, которые вместе формируют элементарный план эмбриогенеза — создания эмбрионов. Результаты опубликованы в Nature Communications.

В 2006 году японские учёные внедрили четыре эмбриональных гена в клетки кожи и успешно перепрограммировали их, заставив вести себя как эмбриональные стволовые клетки. Искусственные эмбриональные стволовые клетки, созданные из клеток кожи, идентичны естественным стволовым клеткам, которые развиваются на самых ранних стадиях эмбриогенеза и отвечают за формирование всех клеток плода. Однако они не могут создавать внеэмбриональные ткани, например, плаценту.

В 2015 году профессор Буганим и его команда первыми обнаружили, как создать искусственные плацентарные стволовые клетки из клеток кожи. Это позволило учёным создать два самых ранних типа стволовых клеток в процессе эмбрионального развития, который происходит сразу после оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом. В текущем исследовании команда ЕУИ, включавшая аспирантов Мохаммада Джабера, Ахмеда Радвана и Нетанеля Лойфера, детально изучила процесс, который проходят клетки кожи, чтобы превратиться либо в эмбриональные, либо в плацентарные стволовые клетки.

«Мы проанализировали изменения, которые претерпевают клетки кожи, чтобы изменить свою идентичность и стать одним из двух самых ранних типов стволовых клеток. Мы изучили изменения в экспрессии генов, в доступности и активности ДНК в ядре изменяющейся клетки кожи, а также в эпигенетических маркерах (метках, которые украшают ДНК и отвечают за экспрессию генов). Всё это критически важно при попытке преобразовать клетку кожи в искусственную эмбриональную или плацентарную стволовую клетку», — объяснил Буганим.

Исследователи обнаружили, что изменения, происходящие в клетках кожи для превращения либо в искусственные эмбриональные, либо в плацентарные стволовые клетки, были совершенно различны на каждом уровне, несмотря на то, что оба типа исходно были клетками кожи.

• Когда клетка кожи превращается в искусственную эмбриональную стволовую клетку, участки ДНК, ответственные за создание мозга, сердца и печени, начинают реорганизовываться и готовиться к дифференцировке — при наличии правильного сигнала — в клетки мозга, сердца или печени.
• С другой стороны, когда те же самые клетки превращались в искусственную плацентарную стволовую клетку, участки ДНК начинали реорганизовываться, чтобы позволить изменяющейся клетке имплантироваться и привлекать кровеносные сосуды — явление, которое происходит естественным путём, позволяя эмбриону имплантироваться в матку.

Самое замечательное открытие пришло, когда команда сравнила два процесса и изучила химическую молекулу метил, которая взаимодействует с определёнными участками ДНК и отвечает за подавление их экспрессии. «Мы обнаружили, что в искусственных плацентарных стволовых клетках присутствовало около 14 000 участков ДНК с метилом, которые совершенно отсутствовали в искусственных эмбриональных стволовых клетках», — сказал Буганим.

Когда исследователи попытались понять значение этих участков ДНК, они обнаружили, что они ответственны за создание всех органов и клеток развивающегося эмбриона — от мозга, сердца, печени и почек до скелета, спинного мозга и соединительных тканей.

В перспективе это важное открытие может помочь объяснить эмбриональную защитную систему, которая предотвращает превращение ранних плацентарных клеток в эмбриональные. «Поскольку плацентарные клетки подвержены повреждениям и инфекциям, естественный защитный механизм организма предотвращает миграцию плацентарных клеток к развивающемуся эмбриону и их присоединение к нему», — пояснил Буганим. В целом, это исследование проливает свет на ключевые особенности нашей способности перепрограммировать клетки и предоставляет мощный инструмент для изучения клеточной пластичности и принятия решений о клеточной судьбе.