Ученые обнаружили эмбриональное происхождение взрослых плюрипотентных стволовых клеток

Прочитано: 115 раз(а)


Стволовые клетки — это биологическое чудо. Они могут ремонтировать, восстанавливать, заменять и регенерировать клетки. У большинства животных и людей эти клетки ограничены регенерацией только того типа клеток, к которому они относятся. Таким образом, стволовые клетки волос будут делать только волосы. Стволовые клетки кишечника будут делать только кишечник. Но у многих отдаленно родственных беспозвоночных есть популяции стволовых клеток, которые являются плюрипотентными у взрослых животных, что означает, что они могут регенерировать практически любой отсутствующий тип клеток, процесс, называемый регенерацией всего тела.

Несмотря на то, что эти взрослые плюрипотентные стволовые клетки (аПСК) обнаружены у многих различных видов животных (таких как губки, гидры, плоские черви-планарии, черви-акоэли и некоторые асцидии), механизм их образования неизвестен ни у одного вида.

В новом исследовании в области клеток исследователи из отдела органической и эволюционной биологии Гарвардского университета определили клеточный механизм и молекулярную траекторию образования аПСК у червя-акоэля Hofstenia miamia.

H. miamia, также известный как трехполосный пантерный червь, представляет собой вид, который может полностью регенерировать с использованием аПСК, называемых «необластами». Разрежьте H. miamia на части, и из каждой части вырастет новое тело, включая все, от рта до мозга. Старший автор профессор Манси Шривастава собрал H. miamia в полевых условиях много лет назад из-за его способности к регенерации. Вернувшись в лабораторию, H. miamia начала производить много эмбрионов, которые можно было легко изучить.

Предыдущее исследование Шриваставы и соавтора постдокторского исследователя Лоренцо Риччи разработало протокол трансгенеза H. miamia. Трансгенез — это процесс, при котором в геном организма вводится что-то, что обычно не является частью этого генома. Этот метод позволил ведущему автору Джулиану О. Кимуре (доктор философии ’22) продолжить свой вопрос о том, как производятся эти стволовые клетки.

«Одной общей характеристикой животных, которые могут регенерировать, является наличие плюрипотентных стволовых клеток во взрослом организме», — сказал Кимура. «Эти клетки отвечают за восстановление отсутствующих частей тела, когда животное травмировано. Поняв, как такие животные, как H. miamia, производят эти стволовые клетки, я почувствовал, что мы сможем лучше понять, что дает некоторым животным регенеративные способности».

Есть некоторые объединяющие черты этих популяций стволовых клеток у взрослых животных, такие как экспрессия гена Piwi. Но ни у одного из видов до сих пор никто не смог выяснить, как вообще образуются эти стволовые клетки. «Они в основном изучались в контексте взрослых животных, — сказал Шривастава, — и у некоторых видов мы немного знаем о том, как они могут работать, но мы не знаем, как они сделаны».

Исследователи знали, что вылупившиеся черви содержат аПСК, поэтому пришли к выводу, что они должны образовываться во время эмбриогенеза. Риччи использовал трансгенез для создания линии, которая заставляла клетки эмбриона светиться флуоресцентно-зеленым светом благодаря введению в клетку белка Kaede. Каэде фотопреобразовывается, что означает, что лазерный луч с очень определенной длиной волны на зеленый цвет преобразует его в красный цвет. Затем вы можете воздействовать на клетки лазером, чтобы превратить отдельные зеленые клетки эмбриона в красный цвет.

«Использование трансгенных животных с фотоконверсией — это совершенно новый подход, который мы разработали в лаборатории, чтобы выяснить судьбу эмбриональных клеток», — сказал Шривастава. Кимура применил этот метод для отслеживания родословных, позволяя эмбрионам расти и наблюдая за тем, что происходит.

Кимура следил за развитием эмбриона, когда он разделялся от одной клетки к нескольким клеткам. Раннее деление этих клеток характеризуется стереотипным расщеплением, что означает, что клетки от эмбриона к эмбриону делятся по одному и тому же образцу, так что клетки можно последовательно называть и изучать. Это повысило вероятность того, что, возможно, каждая отдельная клетка имеет уникальную цель. Например, на стадии восьми клеток возможно, что верхняя, левая угловая ячейка образует определенную ткань, а нижняя, правая ячейка создает другую ткань.

Чтобы определить функцию каждой клетки, Кимура систематически проводил фотоконверсию для каждой из клеток раннего эмбриона, создавая полную карту судеб на стадии восьми клеток. Затем он отследил клетки по мере того, как червь превращался во взрослую особь, которая все еще несла красную маркировку. Повторяющийся процесс наблюдения за каждой отдельной клеткой снова и снова во многих эмбрионах позволил Кимуре проследить, где работает каждая клетка.

На стадии шестнадцатиклеточного эмбриона он обнаружил очень специфическую пару клеток, которые дали начало клеткам, которые выглядели как необласты. «Это действительно взволновало нас, — сказал Кимура, — но все еще оставалась вероятность того, что необласты возникают из нескольких источников у раннего эмбриона, а не только две пары, обнаруженные на стадии шестнадцати клеток. Обнаружение клеток, которые просто напоминали необласты по внешнему виду. не было окончательным доказательством того, что они действительно были необластами, нам нужно было показать, что они вели себя также как необласты».

Чтобы быть уверенным, Кимура испытал этот конкретный набор клеток, названный 3a/3b у H. miamia. Чтобы быть необластами, клетки должны удовлетворять всем известным свойствам стволовых клеток. Создают ли потомство этих клеток новую ткань во время регенерации? Исследователи обнаружили, что да, потомство только этих клеток создавало новую ткань во время регенерации.

Еще одним определяющим свойством является уровень экспрессии генов в стволовых клетках, в которых должны быть экспрессированы сотни генов. Чтобы определить, соответствуют ли 3a/3b этому свойству, Кимура взял потомство с 3a/3b, светящимися красным, а все остальные клетки светились зеленым, и использовал сортировочную машину, которая разделяла красные и зеленые клетки. Затем он применил технологию секвенирования отдельных клеток, чтобы выяснить, какие гены экспрессируются в красных и зеленых клетках. Эти данные подтвердили, что на молекулярном уровне стволовым клеткам соответствует только потомство клеток 3a/3b, а не потомство какой-либо другой клетки.

«Это было окончательным подтверждением того факта, что мы нашли клеточный источник популяции стволовых клеток в нашей системе», — сказал Кимура. «Но, что важно, знание клеточного источника стволовых клеток теперь дает нам возможность улавливать клетки по мере их созревания и определять, какие гены участвуют в их создании».

Кимура создал огромный набор данных об эмбриональном развитии на уровне отдельных клеток с подробным описанием того, какие гены экспрессировались во всех клетках эмбриона с начала до конца развития. Он позволил преобразованным клеткам 3a/3b развиться немного дальше, но не до стадии вылупления. Затем он захватил эти клетки с помощью технологии сортировки. Делая это, Кимура смог четко определить, какие гены конкретно экспрессируются в линии клеток, образующих стволовые клетки.

«Наше исследование выявило набор генов, которые могут быть очень важными регуляторами образования стволовых клеток», — сказал Кимура. «Гомологи этих генов играют важную роль в стволовых клетках человека, и это актуально для разных видов».

«Джулиан начал работать в моей лаборатории, желая изучить, как стволовые клетки образуются в эмбрионе, — сказал Шривастава, — и это невероятная история, что когда он закончил учебу, он понял это».

Исследователи планируют продолжить изучение механизма работы этих генов в стволовых клетках Hofstenia miamia, что поможет понять, как природа разработала способ создания и поддержания плюрипотентных стволовых клеток . Знание молекулярных регуляторов аПСК позволит исследователям сравнить эти механизмы у разных видов и выяснить, как эволюционировали плюрипотентные стволовые клетки у животных.

Ученые обнаружили эмбриональное происхождение взрослых плюрипотентных стволовых клеток



Новости партнеров