Nowe badania ujawniły nowe spojrzenie na rozwój embrionalny człowieka, pokazując, że czas trwania ekspozycji na sygnał BMP ma kluczowe znaczenie dla określenia losu komórek podczas gastrulacji, co może znaleźć zastosowanie w medycynie regeneracyjnej.
Zespół badawczy z Rice University, kierowany przez Aryeha Warmflasha, pogłębił naszą wiedzę na temat mechanizmów napędzających rozwój embrionalny człowieka. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie naukowym Systemy komórkowe.
Rozwój embrionalny, czyli podróż od pojedynczego zapłodnionego jaja do złożonego organizmu, jest zarządzana przez złożone interakcje między sygnałami biochemicznymi. Jednak mechanizmy stojące za tym, jak komórki interpretują te sygnały w celu podejmowania kluczowych decyzji rozwojowych, pozostają nieuchwytne.
„Nasz artykuł odpowiada na fundamentalne pytanie: w jaki sposób te decyzje są kontrolowane jednocześnie przez wiele ścieżek?” powiedział Warmflash, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych i bioinżynierii.
W skład zespołu wchodzą: pracownik naukowy ze stopniem doktora i obecny lider grupy w Andaluzyjskim Centrum Biologii Rozwoju Elena Camacho-Aguilar; Sumin Yoon, seniorka ze specjalizacji antropologia kulturowa/medyczna; doktoranci Miguel A. Ortiz-Salazar i Siqi Du; i technik laboratoryjny M. Cecilia Guerra. Wspólnie skupili się w swoich badaniach na ludzkiej gastrulacji – kluczowym etapie, w którym komórki różnicują się w trzy listki zarodkowe zarodka: ektodermę, mezodermę i endodermę.
Poprzednie badania i nowe ustalenia
Chociaż poprzednie badania wykazały udział kilku sygnałów, takich jak białko morfogenetyczne kości (BMP) i miejsce integracji związane z bezskrzydłami (WNT), podczas gastrulacji, dokładne mechanizmy leżące u podstaw interpretacji komórek w celu przekształcenia się w różne typy komórek pozostały niejasne.
Aby znaleźć odpowiedź, naukowcy sięgnęli po ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste (hPSC), które naśladują stan komórek tuż przed gastrulacją. Postawili hipotezę, że czas trwania i stężenie sygnałów BMP może decydować o losie komórek, i opracowali eksperymenty wystawiające hPSC na działanie różnych systemów sygnałowych BMP.
Wbrew wcześniejszym przypuszczeniom badanie ujawniło, że czas trwania ekspozycji na sygnał BMP, a nie jego siła, odgrywa kluczową rolę w determinowaniu losu komórki. Pulsacyjne narażenie na wysokie stężenia BMP spowodowało znaczące zmiany, szczególnie w kierunku mezodermy, podczas gdy ciągłe sygnały o niskim poziomie dawały mniej wyraźne wyniki.
Modelowanie matematyczne i implikacje
Matematyczne modelowanie tych procesów umożliwiło naukowcom przewidzenie dalszych losów dowolnej kombinacji sygnałów BMP i WNT. Zespół stworzył kompleksową „mapę losu”, która przewiduje te wyniki. Wykorzystując tę mapę, naukowcy opracowali nowatorski protokół optymalizujący tworzenie mezodermy, przydatny w innych dziedzinach, takich jak medycyna regeneracyjna.
„Nasze odkrycia podkreślają znaczenie zrozumienia dynamiki sygnalizacji w kierowaniu decyzjami dotyczącymi losu komórki” – powiedział Camacho-Aguilar. „Rozszyfrowując te mechanizmy, możemy dostosować skuteczne protokoły różnicowania, które mogą mieć znaczenie w zastosowaniach terapeutycznych”.
Odniesienie: „Kombinatoryczna interpretacja BMP i WNT kontroluje decyzję między prymitywną smugą a losami pozaembrionalnymi” Elena Camacho-Aguilar, Sumin T. Yoon, Miguel A. Ortiz-Salazar, Siqi Du, M. Cecilia Guerra i Aryeh Warmflash, 30 kwietnia 2024, Systemy komórkowe.
DOI: 10.1016/j.cels.2024.04.001
