0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Новый искусственный эмбрион еще больше похож на настоящий

Эмбриональное развитие

Успешное развитие эмбриона и уязвимость к раку – две стороны одной медали

Клетки метастатической меланомы. Способность раковых клеток передвигаться зависит от богатых белком актином (красная окраска) структур – подосом (желтая окраска)

Плацента – уникальный орган млекопитающих, связывающий плод с материнским организмом, выполняет много функций, необходимых для роста и развития эмбриона. При этом сам процесс ее формирования во многом подобен процессу проникновения раковых клеток в окружающие ткани при метастазировании. Ученые исследуют этот феномен в надежде найти новые способы борьбы с метастазами

Плацента развивается в начале беременности у самок млекопитающих из особых зародышевых клеток (трофобластов), которые мигрируют в стенку матки. Степень инвазии (проникновения) плацентарных элементов в соединительнотканную основу органа различается у разных видов млекопитающих. У некоторых из них (крупного рогатого скота и лошадей) плацента слабо связана с маткой. Но у других видов в процессе эволюции появилась плацента, которая глубоко внедряется в стенку матки, – к таким видам относятся обезьяны и «унаследовавший» эту особенность человек.

Известно, что при развитии раковой опухоли ее клетки по многим характеристикам становятся близки к эмбриональным. В том числе, у них происходит активация тех же генов, что и у зародышевых клеток, из которых формируется плацента. При этом у разных видов наблюдается прямая связь между степенью плацентарного «проникновения» и склонностью к злокачественным новообразованиям. Например, коровы в целом меньше подвержены раковым заболеваниям, а меланома (рак кожи), которая у людей является очень агрессивной опухолью, у них преимущественно доброкачественная.

Чтобы изучить процессы проникновения клеток в ткани на молекулярном уровне, ученые культивировали совместно различные клетки человека и коровы. В качестве тканевой «основы» использовались фибробласты (клетки соединительной ткани) эндометрия (внутреннего слоя стенки матки) и кожи коровы и человека. В качестве проникающих клеток – трофобласты коровы, а также раковые клетки хориокарциномы и меланомы человека.

В экспериментах с самыми разными комбинациями клеток ученые убедились, что за интенсивность проникновения клеток в соединительную ткань отвечают клетки самой этой ткани, т.е. фибробласты. При этом клетки кожи и эндометрия имели в этом смысле схожие характеристики: у коровы они больше сопротивлялись любому проникновению, у человека – меньше. Таким образом, те же особенности соединительной ткани, которые «помогают» развитию плаценты и эмбриона в целом, повышают уязвимость перед раковыми метастазами.

Затем ученые идентифицировали в фибробластах гены, активность которых у человека была более высокой по сравнению с коровой. Используя короткие интерферирующие РНК, они уменьшили активность 16 таких генов в клетках эндометрия и кожи человека, так что они стали «похожими» на коровьи. Соединительная ткань из таких модифицированных клеток стала более устойчива к проникновению клеток меланомы.

Из этих результатов следует, что за хорошо «работающую» плаценту приматам, в том числе и человеку, приходится расплачиваться высоким метастатическим потенциалом раковых клеток. Сама же эта работа служит хорошим примером того, как фундаментальное эволюционное исследование может способствовать решению задач практической медицины – в данном случае, разработке новых способов борьбы с метастазами.

ТОП-10 от Science: изучаем эмбриональные гены – дирижеры роста и развития организма

Одним из главных научных прорывов 2018 г. по версии авторитетного научного журнала Science были признаны исследования эмбриональных генов. За что им такая честь? С давних времен ученые, да и не только они, пытались разгадать, как из одной клетки – буквально «из ничего», вырастает сложный организм. Сейчас мы знаем, что формированием растущего эмбриона управляет клеточная ДНК, в которой, как в музыкальной партитуре, прописано, когда и какой «инструмент» должен подать свой голос в общей симфонии развития. Но все же полного понимания, как идут эти процессы в каждой клетке, пока нет. Однако в 2018 г. в исследованиях эмбриональных генов случился настоящий бум, дающий надежду на стремительный прогресс в этой области

Как известно, после оплодотворения яйцеклетка начинает делиться с образованием дочерних клеток, причем этот процесс повторяется многократно. Новые клетки начинают приобретать определенные черты – дифференцироваться в те или иные типы, формируются ткани и органы эмбриона. Стараясь воспроизвести эту тайну жизни искусственно, вырастить «в пробирке» даже не целый организм, а ткань или орган, исследователи сталкиваются со множеством трудностей и зачастую терпят поражение.

Между тем эта проблема, помимо научного интереса, имеет практическое значение: было бы очень полезно научиться выращивать из собственных клеток пациента органы для трансплантации. Чтобы добиться этого, нужно досконально понять, как в живом организме работает сложнейшая система взаимодействия сотен тысяч генов, включая регуляторные последовательности, которые сами не кодируют тот или иной белок, но способны усиливать или ослаблять ход синтетических и метаболических процессов.

В последние годы ученые оптимизировали под эту задачу ряд молекулярно-биологических методик. Так, выделяя из развивающегося эмбриона отдельные клетки и секвенируя (определяя последовательности) в них молекул РНК, они получают как бы «моментальные снимки» активности генов в конкретные периоды развития.

Чтобы изучить, как клетки взаимодействуют между собой, как происходит формирование тех или иных тканей, можно на ранних стадиях эмбрионального развития вводить в клетки флуоресцентные метки или маркерные мутации, используя технику редактирования генов CRISPR. Такие метки будут передаваться от родительских эмбриональных клеток их потомкам, что позволит следить за динамикой процесса.

Читать еще:  Болит поясница чем помазать

Используя комбинацию этих методик, можно наблюдать, как что происходит во всех клетках растущего организма в каждый момент времени на генетическом и структурном уровне.

РНК-секвенирование отдельных клеток было освоено не вчера, но только в 2017 г. сразу две группы ученых смогли применить его в достаточно больших масштабах. Была измерена активность 6–8 тыс. генов в 1,3 тыс. эмбриональных клеток плодовой мушки дрозофилы и исследована активность генов в 50 тыс. клеток одной из личиночных стадий круглого червя Caenorhabditis elegans. В результате этих работ были получены новые данные о регуляции эмбрионального развития этих организмов.

В 2018 г. число подобных работ резко увеличилось. Используя сложные вычислительные методы, исследователи получают «объемные» картины, связывая между собой данные, относящиеся к разным стадиям развития. К тому же объектами исследования стали сложные организмы – позвоночные (рыбы и лягушки), а также ткани и органоиды человека.

Важность этих работ в том, что можно исследовать не только нормальные, но и патологические варианты развития, чтобы понять, где и когда происходит «поломка» и научиться ее «чинить». Метод взяли на вооружение и ученые, исследующие процессы регенерации на таких объектах, как планарии, плоские черви, которые умеют вырастить себе новое тело из крошечного кусочка старого. Еще один модельный объект – аксолотли, относящиеся к саламандрам: ученые пытаются понять, как удается зрелым тканям этих животных возвращаться при повреждении в «эмбриональное» состояние, а затем «перепрограммироваться», чтобы вырастить новую конечность или хвост.

Иногда приходится слышать сожаления, что Нобелевские премии и другие награды за научную деятельность все чаще присуждают не за открытия в смысле установления неизвестных ранее фундаментальных закономерностей, а за разработку технологий, пусть важных и нужных, но которые не приносят ничего принципиально нового в наши знания о мире. В данном же случае научным прорывом признали даже не создание новой технологии, а «доводку» уже имеющихся методов до уровня, когда их можно использовать для решения конкретных задач. Однако результаты их практического приложения должны оказаться по-настоящему прорывными.

Медицинский центр «Сидра» в Дохе

Появление цыпленка вне скорлупы

Усилиями ученых на свет появились мыши – «дети» однополых родителей, «двух мам» и «двух пап»

Для размножения большинства высших организмов необходим союз двух разнополых особей. И хотя среди более низкоорганизованных животных, таких как рептилии, земноводные и рыбы, встречаются виды, у которых самки могут размножаться партеногенетически (без участия самцов), для млекопитающих таких исключений не обнаружено. Но с помощью современных молекулярно-генетических технологий это правило, похоже, рано или поздно удастся обойти

Клетки всех млекопитающих диплоидны, т.е. несут два набора хромосом – от отца и от матери. Другими словами, каждый ген представлен двумя копиями (аллелями) – отцовской и материнской, потенциально одинаково «рабочими». Однако в процессе развития эмбриона включается эпигенетический (надгеномный) механизм, который «выключает» копии определенных генов в зависимости от их происхождения. Для некоторых генов активной может быть только копия, унаследованная от матери, для других – только от отца. Это явление, затрагивающее очень небольшую, но очень важную часть генома, названо геномным импринтингом.

То, что для нормального развития зародышей необходим и женский, и мужской генетический материал, стало ясно еще в 1980-х гг. благодаря экспериментам на мышах. В 2004 г. ученым удалось получить живых мышат, имеющих полностью «женский» по происхождению геном. Для этого экспериментаторы «выключили» в геноме одной из матерей ген H19, кодирующий важную для развития эмбриона регуляторную РНК. Так как в норме у зародыша активируется именно материнская копия H19, то активизация сразу двух копий гена могла приводить к нарушениям эмбрионального развития.

Но «выключения» только одного гена оказалось недостаточно. Успех эксперимента оказался относительным: из более чем 300 таких эмбрионов, которые имплантировали 26 суррогатным матерям, «получилось» всего два (!) мышонка. Одна мышь выросла и сама принесла потомство, но этот случай стал исключением из правила.

Сейчас исследователи из Китайской академии наук создали мышей, родителями которых являются не только «две мамы», но и «два папы». Для этого они получили женские и мужские эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) с одинарным набором хромосом, как у половых клеток, для чего побудили к делению обычные неоплодотворенные яйцеклетки, либо яйцеклетки, ядро которых заменили на ядро сперматозоидов.

В геноме этих клеток с помощью метода редактирования генома CRISPR/Cas9 был удален уже не один, а несколько фрагментов, после чего женские ЭСК с одним набором хромосом ввели в яйцеклетки другой самки, а соответствующие мужские – в яйцеклетки с ядром сперматозоида.

Из 210 экспериментальных эмбрионов с двумя «мамами» на свет появилось 29 мышат, которые успешно выросли и дали потомство. А вот с чисто «мужскими» эмбрионами ситуация оказалась много хуже: никто из более чем тысячи зародышей не выжил. Как показали исследования, они сильно отставали в развитии и, главное, у них не формировалась нормальная плацента, связывающая организмы плода и матери. Тогда исследователи пошли дальше и сконструировали зародыши, содержащие не двойной, а учетверенный набор мужских хромосом! Но и в этом случае из тысячи попыток успешными оказались только двенадцать, и эти мышата погибли вскоре после рождения.

Интересно, что детеныши от двух матерей получались меньшего размера, чем обычные мышата женского пола, а от двух отцов – большего, чем такие же мужского. По-видимому, это наблюдение подтверждает гипотезу «противостояния» родительских генов: отцовские гены «стараются» сделать плод более крупным, увеличивая будущую конкурентоспособность потомка, а материнские – «стремятся» уменьшить размер плода, чтобы снизить риски по его вынашиванию для матери.

Читать еще:  Боль в спине в области поясницы

Результаты этих работ наглядно свидетельствуют, что проблем с созданием эмбриона из генетического материала однополых особей много, и появление хотя бы относительно здоровых животных в таких экспериментах – большая редкость. Но не стоит думать, что ученые занимаются такими экспериментами для того, чтобы в будущем детей могли заводить однополые пары. Такие исследования носят скорее фундаментальный характер, позволяя нам лучше понять, как идет геномный импринтинг и сам процесс эмбрионального развития млекопитающих, который еще во многом остается «черным ящиком».

Бог из пробирки

Эмбрион впервые вырастили вне утробы матери

Биологам впервые удалось вырастить в пробирке эмбрионы, достигшие стадии внедрения в стенку матки. До этого исследователи получали зародышевые тельца, которые не развивались дальше этого этапа. Теперь специалисты могут создавать удобные платформы для изучения развития животных и человека, а также решить проблемы разработки искусственной утробы. «Лента.ру» рассказывает о научной работе ученых из Кембриджского университета, опубликованной в журнале Science.

Развитие позвоночных животных от одной клетки до многоклеточного организма — процесс очень сложный. В нем несколько стадий, в результате которых формируются различные группы влияющих друг на друга клеток. Хотя во всех одна и та же ДНК, от их местоположения в зародыше зависит то, какие гены будут активными. Это, в свою очередь, определяет функции клеток в тканях формирующегося организма.

У млекопитающих развитие эмбриона может происходить как в теле матери, так и в яйце (у ехидны и утконоса). Зародыш возникает при оплодотворении ооцита (яйцеклетки). После этого происходит ее дробление — ряд делений с образованием все более мелких клеток (бластомеров). В результате формируется морула — шар, все внутреннее пространство которого заполнено 16-ю бластомерами.

За стадией морулы следует стадия бластоцисты. Бластомеры продолжают делиться, все более уплотняясь и образуя полую сферу. В ней запускается процесс дифференцировки клеток, и образуются два типа клеток: трофобласт, формирующий внешний слой бластоцисты, и эмбриобласт (внутренняя клеточная масса), находящийся внутри нее. Эмбриобласт создает компактное образование у одного из полюсов бластоцисты.

На стадии бластоцисты в клетках зародыша происходят процессы, которые устанавливают оси симметрии, а также регулируют экспрессию генов, что на следующих этапах приведет к формированию различных тканей. Эмбрион, который ранее напоминал сферу, становится асимметричным. Трофобласт дает начало экстраэмбриональным (внезародышевым) тканям, из которых затем образуются плацента, желточный мешок и амнион. Из эмбриобласта развиваются еще две группы клеток — эпибласт и гипобласт.

Бластоциста человека через 5 дней после оплодотворения

Из эпибласта в итоге формируется тело будущего организма. Однако это происходит только при том условии, что клетки данной группы взаимодействуют с внезародышевыми тканями. Гипобласт способствует образованию некоторых внезародышевых структур, в том числе примитивной энтодермы, которая дает потом висцеральную энтодерму, окружающую эпибласт и выполняющую регуляторные функции.

После того как бластоциста внедряется в слизистую матки в процессе беременности, структура зародыша меняется, постепенно усложняясь. Клетки эпибласта упорядочиваются, образуя форму розетки. Внутри возникает полость. Трофобласт в это время превращается во внезародышевую эктодерму (ExEc), в которой также есть полость. В конце концов обе полости соединяются. Кроме того, возникают мезодерма и первичные половые клетки, образуется зародышевый цилиндр.

Эпибласт состоит из эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), способных дифференцироваться в три зародышевых листка: эктодерму, мезодерму и энтодерму. Клетки этих трех слоев — плюрипотентные, то есть могут превратиться во все типы клеток взрослого организма. Именно поэтому ЭСК используются для создания зародышеподобных структур — эмбриоидов. Они помогают понять механизмы развития плода, однако проблема в том, что в них не воспроизводятся процессы, протекающие in vivo (в живом организме) после внедрения в стенку матки.

Развитие эмбриона мыши in vitro

Изображение: Magdalena Zernicka-Goetz, University of Cambridge

Ученые решили убедиться в том, что внезародышевые ткани обеспечивают дальнейшее развитие эмбриона, проведя соответствующие эксперименты in vitro (в пробирке). Взяли эмбриональные стволовые клетки и небольшие группы стволовых клеток из трофобласта (ТСК) — предшественников клеток внезародышевых органов. Из них были получены клеточные культуры, имитирующие взаимодействие эпибласта с трофобластом. Связи между клетками осуществлялись через трехмерные внеклеточные структуры из коллагенового матрикса «Матригель».

Матрикс заменял в культуре примитивную энтодерму, обеспечивая поляризацию клеток эпибласта и формирование полости. Оказалось, что в этих условиях ЭСК и ТСК образовывали форму, напоминающую зародышевый цилиндр и характерную для эмбрионов мышей после имплантации. Однако была не только внешняя схожесть. Тщательный анализ морфологии, размера, числа клеток и активности генов, характерных для определенных клеточных линий, показал, что в эмбрионах как in vivo, так и in vitro присутствовали отдельные структуры, полученные из стволовых клеток эпибласта и трофобласта.

Исследователи выделили несколько этапов развития зародыша в пробирке. Сначала наблюдается спонтанная самоорганизация, которая приводит к поляризации клеток и образованию полостей внутри эмбриональной и экстраэмбриональной частей зародыша. Затем полости объединяются в один большой эквивалент проамниотической полости. Потом две группы стволовых клеток взаимодействуют через сигнальный путь Nodal. Сигналами служат белки, участвующие в эмбриональной индукции; они направляют развитие отдельных частей зародыша — например, способствуют формированию нервной системы. Все завершается выделением костного морфогенетического белка, который индуцирует образование клеток, напоминающих первичные половые клетки.

Результаты исследования важны для решения проблемы создания искусственной утробы. В этом устройстве можно было бы вынашивать зародыши без участия живого существа. Однако до сих пор известны не все факторы, влияющие со стороны организма матери на дифференцировку клеток. Например, пока совершенно непонятна роль имплантации бластоцисты. Культивирование плодов in vitro в постимплантационный период невозможно без изучения того, что происходит с клетками зародышей в этот период. Новые эмбриоиды позволят проводить соответствующие исследования.

Новость дня

Международная группа учёных создала самые реалистичные искусственные эмбрионы: как сообщают биологи, они пережили «самое важное событие в жизни» — ключевой этап развития под названием гаструляция. Для получения зародыша грызуна исследователи отказались от этапа встречи яйцеклетки и сперматозоида и сразу объединили три типа стволовых клеток мышей в один эмбрион, который был практически готов для имплантации в матку.

Читать еще:  Каждый десятый больной синдромом раздраженного кишечника думает о суициде

Поясним, что эмбрион на стадии развития, известной как бластоциста, состоит всего из трёх типов стволовых клеток. Первый тип — эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) — впоследствии становятся самим организмом, в то время как второй тип — трофобластные стволовые клетки — пойдут на образование плаценты, а третий тип — примитивные эндодермные стволовые клетки – на формирование желточного мешка, богатого питательными веществами.

В прошлом году исследователям удалось создать искусственные эмбрионы, объединив ЭСК и трофобластные стволовые клетки. Зародыши в дальнейшем культивировались в трёхмерной гелевой матрице. На этот раз исследователи впервые внедрили и третий тип стволовых клеток (примитивные эндодермные), без которых эмбрион не мог бы развиваться дальше.

В частности, они не могли дойти до стадии гаструляции: процесса морфогенетических изменений, сопровождающегося размножением, ростом, направленным перемещением и дифференцировкой клеток. В ходе этой стадии развития образуются так называемые зародышевые листки — источники зачатков тканей и органов.

«Правильная гаструляция при нормальном развитии возможна только при наличии всех типов стволовых клеток, — объясняет ведущий автор исследования Магдалена Церникка-Гёц (Magdalena Zernicka-Goetz). – Чтобы реконструировать этот сложный танец, нам пришлось добавить недостающую третью столовую клетку. Заменив гель, который мы использовали в более ранних экспериментах, третьим типом стволовых клеток, мы смогли создать структуры, развитие которых было удивительно успешным».

Исследователи наблюдали, как их эмбрионы достигают этой стадии, разделяясь на три слоя, как это делает настоящий зародыш. Сроки, строение и активность генов также были аналогичны естественному развитию.

«Наши искусственные эмбрионы прошли через самое важное событие в жизни в чаше для культивирования. Сейчас они невероятно схожи с реальными эмбрионами. Чтобы развиваться дальше, их необходимо имплантировать в организм матери или искусственную плаценту», — рассказывает Церникка-Гёц.

Подобные эксперименты могут помочь учёным получить более чёткое представление о раннем развитии зародышей, изучение которого порой осложнено техническими и этическими трудностями.

Результаты исследования представлены в научном издании Nature Cell Biology.

Британские ученые создали первый в мире искусственный эмбрион

Поделиться сообщением в

Внешние ссылки откроются в отдельном окне

    Внешние ссылки откроются в отдельном окне

    В Британии впервые в мире в лабораторных условиях получены искусственные эмбрионы из стволовых клеток, взятых у мышей.

    Группа учёных из Кембриджского университета использовала два типа стволовых клеток и напечатанную на принтере трёхмерную форму при создании объекта, который сильно похож на мышиный эмбрион.

    Более ранние попытки в этой сфере имели ограниченный успех, так как на ранних этапах развития эмбриона различные клетки взаимодействуют друг с другом и координируют свой рост.

    Исследователи надеются, что их результаты повысят надежность методов лечение бесплодия у человека. Они также могут пролить новый свет на биологию эмбрионального развития.

    По действующим в Британии законам, проведение экспериментов с человеческими эмбрионами жестко регулируется и запрещается после 14 суток их существования.

    После успешного оплодотворения яйцеклетки у млекопитающих она начинает делиться, образуя при этом эмбриональные стволовые клетки, которые затем начинают трансформироваться в плюрипотентные клетки растущего организма.

    Эти эмбриональные стволовые клетки концентрируются внутри эмбриона в одной точке, формируя рудиментарную эмбриональную структуру под названием бластоциста.

    Группа кембриджских ученых, работа которых опубликована в журнале Science, сумела создать искусственный эмбрион мыши на основе эмбриональных стволовых клеток и второго типа стволовых клеток — внеэмбриональных клеток трофобласта, которые образуют плаценту.

    Руководитель группы профессор Магдалена Зенрицка-Гетц сказала: «Нам известно, что взаимодействие между разными типами стволовых клеток играет важную роль в эмбириогенезе. Наша работа важна, потому что она впервые доказывает, что клетки находятся в состоянии постоянного партнерства между собой, направляя развитие друг друга».

    При этом ученые отмечают, что такой искусственный эмбрион не может развиться в полноценный зародыш, поскольку для этого, вероятно, необходимо присутствие третьего типа стволовых клеток, которые затем трансформируются в желточный мешок, обеспечивающий питание зародыша.

    Та же группа ученых недавно разработала метод выращивания клеток бластоцисты в лабораторных условия вплоть до установленного законом срок в 14 суток.

    Им удалось довести развитие искусственных эмбрионов мышей до того же этапа, и теперь они работают над применением того же метода для создания искусственных человеческих эмбрионов.

    Если они добьются успеха, это откроет возможность постановки экспериментов над эмбрионами, которые развиваются позже установленного законом срока.

    Профессор Джонатан Монтгомери, специалист по медицинскому праву в Университетском колледже Лондона, считает, что такие эксперименты выйдут за рамки ныне существующего законодательства, и регулирующим органам придется задуматься о том, как их контролировать.

    Пока что мы находимся на самой начальной стадии подобных исследований. Но если мы сумеем сделать так, что различные типы стволовых клеток будут взаимодействовать на том же уровне, что и в естественных условиях, а также поймем, как к этому взаимодействию подключить третий вид стволовых клеток, которые обеспечивают питание развивающегося организма, то мы сумеем сделать так, что искусственные эмбрионы будут гораздо дольше оставаться жизнеспособными, считает профессор Монтгомери.

    Профессор Робин Ловелл-Бэдж из Института Френсиса Крика в Лондоне сообщил, что некоторые структуры, наблюдаемые на ранних этапах эмбриогенеза, не развивались в искусственных эмбрионах.

    Эти и другие проблемы придется решать, прежде чем новый метод получит дальнейшее развитие.

    По его словам, создание искусственных человеческих эмбрионов представляется пока что маловероятным, поскольку у исследователей нет доступа к необходимым типам клеток, которые могут быть получены только из человеческих эмбрионов.

    Ссылка на основную публикацию
    Статьи c упоминанием слов:

    Adblock
    detector