В своей публикации в Science профессор Guojun Sheng (Университет Кумамото, Япония), профессор Альфонсо Мартинес Ариас (Universidad Pompeu Fabra, Испания) и профессор Энн Сазерленд (Система здравоохранения Университета Вирджинии, США) предлагают филогенетический и онтогенетический обзор примитивной полоски и его роль в обеспечении гаструляции амниот (позвоночных животных, которые развиваются на суше), а также обсуждают влияние моделей раннего эмбриогенеза млекопитающих на основе эмбриональных стволовых клеток на функцию этой структуры.
Большинство животных двусторонне симметричны и организованы с использованием двух основных систем координат. Первый дает клеткам пространственную идентичность вдоль переднезадней (голова к хвосту) и дорсовентральной (сзади к передней) осей. Второй организует клетки в группы (т. Е. Зародышевые листки).
После оплодотворения человеческий эмбрион имплантируется в матку (день 6-12), и вскоре после этого начинается гаструляция, при этом примитивная полоса появляется примерно на 14 день. Гаструляция распределяет судьбы клеток и пространственные координаты между клетками эпибласта, закладывая основу человеческого тело. Предоставлено: д-р Гоцзюнь Шэн; Кредит для эскиза Леонардо да Винчи «Плод в утробе матери»: Фонд королевской коллекции.
У большинства животных, включая человека, есть три зародышевых листка: эктодерма (источник кожи, нервной системы, глаз и т. Д.), Мезодерма (источник мышц, костей, сосудов и т. Д.) И энтодерма (источник кишечника, легких, печени, поджелудочной железы и т. д.).
Критические моменты развития
Один из наиболее критических периодов развития наступает, когда небольшое количество плюрипотентных и делящихся клеток инициирует процесс дифференцировки в этих двух системах координат. В развитии человека это происходит примерно через две недели после оплодотворения посредством процесса, называемого гаструляцией, и связано с эмбриональной структурой, называемой примитивной полосой — структурой на раннем этапе развития, которая инициирует двустороннюю симметрию и формирование зародышевого листка.
Подобно валуну, катящемуся по склону горы, гаструлирующая клетка начинает безвозвратный журнал, кульминацией которого является окончательная дифференцировка в одну из нескольких сотен клеточных линий, составляющих ткани и органы человека.
Благодаря техническим открытиям в области омоложения дифференцированных клеток обратно в наивное состояние, впервые реализованным такими учеными, как Джон Гурдон и Шинья Яманака (лауреаты Нобелевской премии 2012 г.), исследователи во всем мире теперь могут выращивать плюрипотентные прегаструляционные клетки человека (и других млекопитающих) в лаборатории и посредством пошагового добавления биохимических сигналов направляют эти клетки к дифференцировке в любую из сотен клеточных линий. Однако культивирование этих клеток в функционирующих тканях или органах редко бывает успешным.
Одна из причин этой неудачи заключается в том, что органогенез (процесс формирования органов) in vivo начинается сразу после гаструляции, когда клетки с разным происхождением зародышевого листка и идентичностями пространственных координат взаимодействуют, образуя рудиментарные органы. Посредством последующих реципрокных взаимодействий эти клетки претерпевают органо- и видоспецифичную пролиферацию, трехмерную организацию и терминальную дифференцировку до достижения функциональной зрелости. Таким образом, воспроизведение (повторение) таких зачатков органов in vitro стало святым Граалем в исследованиях биологии стволовых клеток и регенеративной медицины.
Достижение этого потребует повторения гаструляции и связанной с ней примитивной полосы. Однако ни гаструляция, ни примитивная полоса не подвергались тщательному анализу в развитии человека, и сравнительные взгляды на гаструляцию животных и примитивную полоску в литературе часто неправильно изображаются.
Теперь, посредством систематического обзора предыдущих исследований, профессор Шенг и его коллеги предоставляют доказательства того, что примитивная полоса не является консервативным признаком развития амниот и что примитивные полоски у млекопитающих и птиц эволюционировали независимо, используя различные надклеточные механизмы, которые приводят к их развитию морфологическое появление.
Основная роль гаструляции
- Исследователи подчеркивают, что, помимо опосредования появления зародышевых листков из эпибласта (плюрипотентных клеток), основная роль гаструляции заключается в предоставлении вновь образованным клеткам в каждом зародышевом листе системы координат для организации судьбы первичных клеток и зачатков органов и ткани, которые пространственно расположены относительно друг друга.
- Их анализ различных биомеханических параметров между множеством моделей in vivo и in vitro предсказывает, что рудиментарный план тела млекопитающих может формироваться в отсутствие примитивной полосы.
- Они также предполагают, что «правило 14 дней» (когда человеческий эмбрион нельзя культивировать через 14 дней после оплодотворения или после появления примитивной полоски), которое в настоящее время используется во многих странах в качестве ключевого этического контроля в исследованиях эмбриологии человека, должны быть повторно оценены, и альтернативный ориентир должен быть выбран путем согласованного обсуждения между различными заинтересованными сторонами для обеспечения научной и этической строгости.