Зародыш мыши впервые вырастили из одной соматической клетки

Испанские ученые придумали новый способ моделировать раннее развитие млекопитающих: они вырастили структуры, напоминающие бластоцисту, из одной стволовой клетки. Также они продемонстрировали, что можно репрограммировать соматическую клетку в стволовую и вырастить из нее аналогичный зародыш. Новообразованные эмбрионы имплантировали в матку мышам и они даже начали развиваться, хотя полноценные ткани в них не выросли. Исследование опубликовано в журнале Cell.

В течение первой недели развития зародыш млекопитающих проходит несколько стадий. Вначале — дробление, образуется комок из одинаковых клеток — бластомеров. Затем — компактизация, бластомеры сжимаются, образуя морулу. Потом посреди них образуется полость и формируется бластоциста. Это клеточный шар, внутри которого есть полость с жидкостью и прилежащий к ней комок клеток. Поверхность шара называют трофобластом, она впоследствии даст внезародышевые оболочки (в том числе плаценту). Внутренняя клеточная масса же превращается частично в оболочки, а частично — в собственно ткани зародыша. После того, как в бластоцисте сформировались оба клеточных слоя, она имплантируется в стенку матки, где клетки начинают специализироваться дальше и возникают оси тела (передне-задняя и верхняя-нижняя).

Но поскольку все эти процессы целиком происходят в утробе матери, их довольно сложно изучать в лаборатории. Для этого, как правило, используют культуры стволовых клеток, из которых ученые пытаются собрать (иногда в буквальном смысле слова, послойно) модель зародыша на той или иной стадии развития. Недавно мы рассказывали о том, что с помощью микрофлюидики впервые удалось создатьимитацию постимплантационного развития мыши.

Тем не менее, все известные до сих пор методы конструирования искусственных зародышей делают их совершенно нежизнеспособными. Дальше всех пока что продвинулся эксперимент нидерландских ученых, которые собрали бластоид (бластоцисто-подобную структуру) из двух типов клеток: эмбриональных стволовых клеток и стволовых клеток трофобласта. Эти эмбрионы даже удалось имплантировать в матку, однако ранние стадии развития до имплантации изучать на них невозможно.

Следующий шаг в этом направлении сделала международная группа ученых под руководством профессора Католического университета Мурсии (Испания) и Института Солка (США) Хуана Карлоса Исписуа Бельмонте (Juan Carlos Izpisúa Belmonte). Они решили построить зародыш на основе «усовершенствованных» плюрипотентных клеток (expanded pluripotent stem cells). Эти клетки аналогичны бластомерам, то есть могут дать начало не только зародышу, но и внезародышевым тканям. Чтобы их получить, исследователи брали эмбриональные стволовые клетки и культивировали их под действием коктейля из сигнальных веществ, «возвращая» им утраченные функции.

Исследователи обнаружили, что если действовать на такие плюрипотентные клетки веществами, которые вызывают дифференцировку как трофобласта, так и внутренней клеточной массы, то из них вырастают полноценные бластоиды примерно в 15 процентах случаев. А вот с эмбриональными стволовыми клетками повторить эксперимент не получилось — из них бластоиды не образовывались.

Когда бластомероподобные клетки выращивали поодиночке, они сначала гибли. Тогда ученые взяли линию клеток, устойчивых к пуромицину, и смешали с другими, неустойчивыми клетками. Их некоторое время выращивали вместе, а затем обрабатывали пуромицином и «клетки-помощники» гибли. Таким образом, с помощью временной поддержки других клеток, удалось вырастить эмбрион из одной-единственной стволовой клетки — правда, всего в 2,7 процентах случаев.

Исследователи подтвердили, что их бластоиды аналогичны обычным бластоцистам: по клеточному составу, окрашиванию на разные маркеры и экспрессии генов. Они даже проверили, что в бластоидах протекают характерные для развития млекопитающих процессы — например, инактивация Х-хромосомы. Во внутренней клеточной массе в начале развития активны обе ее копии, а в клетках трофобласта, как правило, отцовская Х-хромосома «замолкает» — и именно это произошло в большинстве наружных клеток бластоида.

Затем авторы работы продемонстрировали, что их бластоиды аналогичны бластоцистам in vitro. Например, из них выделили культуру эмбриональных стволовых клеток и показали, что они могут встраиваться в зародыши обычных мышей и давать химерных животных. Кроме того, бластоиды можно культивировать, и их клетки начинают образовывать разные постимплантационные ткани.

Бластоиды подсадили мышам в матку, и около 7 процентов из них имплантировались. Искусственные зародыши вызвали образование в матке децидуальной ткани — предшественника плаценты — и установили с ней тесный контакт, достаточный, чтобы краситель из организма матери попадал в зародыш. Эмбрионы продолжали развиваться по меньше мере до 7-8 дня, в них постепенно росли ткани, однако они существенно отставали в развитии от здоровых эмбрионов.

Наконец, ученые получили бластомероподобные клетки из соматических клеток мыши. Они репрограммировали их по тому же принципу, что и для создания индуцированных плюрипотентных клеток, и получившаяся культура оказалась по свойствам аналогична «усовершенствованным» плюрипотентным клеткам. Из нее тоже удалось вырастить бластоиды и имплантировать их в матку.

Несмотря на то, что новый метод пока не привел к созданию полностью жизнеспособных эмбрионов, авторы работы рассчитывают, что однажды с его помощью смогут вырастить биоинженерные зародыши. Если это действительно получится, то можно будет говорить о третьем способе клонирования. Сейчас известны два: перенос соматического ядра в яйцеклетку и перенос индуцированных плюрипотентных клеток в чужой зародыш. Если третий метод клонирования заработает, то это будет первое «настоящее» клонирование, поскольку зародыш будет полностью развиваться из соматической клетки взрослого организма.

Хуан Бельмонте известен своими смелыми работами в области эмбриологии и стволовых клеток. Так, в 2016 году группа под его руководством впервые опробовала на мышах in vivo репрограммирование — «омоложение» клеток организма для борьбы со старением. А в июле 2019 года он с коллегами создал химерный эмбрион человека и обезьяны — правда, для этого ему пришлось уехать в Китай.

Оригинал статьи:https://nplus1.ru/news/2019/10/21/one-cell-embryo-belmonte