Naukowcy odkryli potencjalny „przycisk pauzy” na najwcześniejszych etapach rozwoju człowieka.
Od dawna dyskutuje się, czy człowiek może kontrolować czas swojego rozwoju. To nowe badanie sugeruje, że ludzie mogą zachować uśpioną zdolność do diapauzy, mimo że nie stosują jej w czasie ciąży. Odkrycia mają głębokie implikacje dla naszego zrozumienia wczesnego życia ludzkiego i mogą ulepszyć technologie reprodukcyjne, takie jak zapłodnienie in vitro.
Diapauza embrionalna
U niektórych ssaków można zmienić zazwyczaj ciągły czas rozwoju embrionalnego, aby zwiększyć szanse na przeżycie zarówno zarodka, jak i matki. To tymczasowe spowolnienie rozwoju, zwane diapauzą embrionalną, zwykle występuje na etapie blastocysty, tuż przed przyczepieniem się zarodka do ściany macicy. Podczas tej przerwy zarodek pozostaje swobodny, co przedłuża ciążę.
Ten stan uśpienia można utrzymywać przez tygodnie lub miesiące, zanim rozwój zostanie wznowiony, jeśli warunki są sprzyjające. Chociaż nie wszystkie ssaki stosują tę strategię reprodukcyjną, zdolność do zatrzymania rozwoju można wyzwolić eksperymentalnie. Otwartym pytaniem pozostaje, czy komórki ludzkie są w stanie reagować na czynniki wyzwalające diapauzę.
Teraz badanie przeprowadzone przez laboratoria Nicolasa Rivrona w Instytucie Biotechnologii Molekularnej (IMBA) Austriackiej Akademii Nauk w Wiedniu, stypendysta ERBN, oraz Aydana Buluta-Karslıoğlu w Instytucie Genetyki Molekularnej Maxa Plancka w Berlinie wykazały, że że mechanizmy molekularne kontrolujące diapauzę embrionalną wydają się działać również w komórkach ludzkich. Wyniki ich badań opublikowano 26 września w czasopiśmie Cell.
Modele diapauzy człowieka oparte na komórkach macierzystych
W swoich badaniach naukowcy nie przeprowadzali eksperymentów na ludzkich embrionach, zamiast tego wykorzystali ludzkie komórki macierzyste i modele blastocyst oparte na komórkach macierzystych, zwane blastoidami. Te blastoidy stanowią naukową i etyczną alternatywę dla wykorzystywania embrionów do badań. Naukowcy odkryli, że modulacja specyficznej kaskady molekularnej, szlaku sygnałowego mTOR, w tych modelach komórek macierzystych indukuje stan uśpienia niezwykle podobny do diapauzy.
„Szlak mTOR jest głównym regulatorem wzrostu i postępu rozwojowego zarodków myszy” – mówi Aydan Bulut-Karslioglu. „Kiedy leczyliśmy ludzkie komórki macierzyste i blastoidy inhibitorem mTOR, zaobserwowaliśmy opóźnienie w rozwoju, co oznacza, że komórki ludzkie mogą wykorzystać maszynerię molekularną, aby wywołać reakcję przypominającą diapauzę”.
Ten stan uśpienia charakteryzuje się zmniejszonym podziałem komórek, wolniejszym rozwojem i zmniejszoną zdolnością do przyczepiania się do błony śluzowej macicy. Co ważne, zdolność do wejścia w ten uśpiony etap wydaje się być ograniczona do krótkiego okresu rozwojowego.
„Czas rozwoju blastoidów można rozciągnąć wokół stadium blastocysty, czyli dokładnie tego etapu, na którym u większości ssaków następuje diapauza” – mówi współautor Dhanur P. Iyer. Co więcej, ten stan uśpienia jest odwracalny, a blastoidy wznawiają normalny rozwój po reaktywacji szlaku mTOR.
Implikacje dla medycyny reprodukcyjnej
Autorzy doszli do wniosku, że ludzie, podobnie jak inne ssaki, mogą posiadać wrodzony mechanizm czasowego spowalniania ich rozwoju, mimo że mechanizm ten nie może być wykorzystywany w czasie ciąży. „Ten potencjał może być pozostałością procesu ewolucyjnego, z którego już nie korzystamy” – mówi Nicolas Rivron. „Chociaż straciliśmy zdolność do naturalnego wchodzenia w stan uśpienia, eksperymenty te sugerują, że mimo to zachowaliśmy tę wewnętrzną zdolność i ostatecznie możemy ją uwolnić”.
W przypadku badań podstawowych pojawia się pytanie, czy komórki ludzkie i inne ssaki przechodzą w stan uśpienia podobnymi lub alternatywnymi drogami i wykorzystują je do tych samych celów, na przykład wstrzymując lub ustalając harmonogram ich rozwoju i implantacji.
Odkrycia zespołu mogą mieć konsekwencje dla medycyny reprodukcyjnej: „Z jednej strony wiadomo, że szybszy rozwój zwiększa skuteczność zapłodnienia in vitro (IVF), a zwiększenie aktywności mTOR mogłoby to osiągnąć” – wyjaśnia Nicolas Rivron. „Z drugiej strony wywołanie stanu uśpienia podczas procedury IVF mogłoby zapewnić większe okno czasowe na ocenę stanu zdrowia zarodka i zsynchronizowanie go z matką w celu lepszej implantacji w macicy”.
Odkrywanie potencjału w zakresie zdrowia reprodukcyjnego
Ogólnie rzecz biorąc, nowe odkrycia dostarczają nieprzewidzianego wglądu w procesy rządzące naszym najwcześniejszym rozwojem, co może otworzyć nowe możliwości poprawy zdrowia reprodukcyjnego.
„Ta ekscytująca współpraca jest świadectwem tego, jak złożone kwestie biologiczne można rozwiązać, łącząc odpowiednią wiedzę specjalistyczną” – mówi Heidar Heidari Khoei, doktorant w laboratorium Nicolasa Rivrona i współpierwszy autor badania.
„Wierzę, że ta praca nie tylko podkreśla znaczenie współpracy w postępie nauki, ale także otwiera dalsze możliwości zrozumienia, w jaki sposób różne sygnały są postrzegane przez komórki przygotowujące się do swojej podróży rozwojowej”.
Odniesienie: „Aktywność mTOR przyspiesza postęp rozwoju stadium blastocysty u człowieka” autorstwa Dhanura P. Iyera, Heidara Heidari Khoei, Very A. van der Weijden, Harunobu Kagawy, Saurabha J. Pradhana, Marii Novatchkovej, Afshana McCarthy’ego, Teresy Rayon, Claire S. Simon , Ilona Dunkel, Sissy E. Wamaitha, Kay Elder, Phil Snell, Leila Christie, Edda G. Schulz, Kathy K. Niakan, Nicolas Rivron i Aydan Bulut-Karslioğlu, 26 września 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.08.048
Nicolas Rivron jest liderem grupy w IMBA i jest finansowany przez grant ERC Consolidator Grant.
Aydan Bulut-Karslıoğlu jest liderem grupy w MPIMG i młodym badaczem EMBO. Jej badania są finansowane w ramach grantu ERBN dla początkujących naukowców.
