Zelluläre Embryonen -Modelle bieten Einblicke in frühe Entwicklungsprozesse

Die frühesten Tage nach der Befruchtung, sobald eine Spermienzelle auf ein Ei trifft, sind in wissenschaftlichem Geheimnis gehüllt.

Der Prozess, wie eine bescheidene Einzelzelle zum Organismus wird, fasziniert Wissenschaftler über Disziplinen hinweg. Für einige Tiere findet der gesamte Prozess der zellulären Multiplikation, der Erzeugung von spezialisierten Zellen und ihrer Organisation in einen geordneten mehrzelligen Embryo in der schützenden Umgebung der Gebärmutter statt, wodurch direkte Beobachtung und Studien schwierig sein. Dies macht es den Wissenschaftlern schwer zu verstehen, was während dieses Prozesses schief gehen kann und wie spezifische Risikofaktoren und die Umgebung die Embryobildung verhindern können.

Wissenschaftler von UC Santa Cruz konnten zelluläre Embryonen -Modelle entwickeln, ohne jemals mit tatsächlichen Embryonen zu experimentieren, sodass sie in den ersten Tagen nach dem Treffen mit zwei sexuell reproduktiven Zellen nachahmen konnten. Sie verwenden CRISPR-basierte technische Methoden, um Stammzellen dazu zu bringen, sich in „programmierbare“ embryoähnliche Strukturen zu organisieren, die auch als Embryoide bezeichnet werden und die die Rolle bestimmter Gene bei der frühen Entwicklung untersuchen können. Diese Strukturen sind keine tatsächlichen Embryonen, sondern Ansammlungen von Zellen, die sich in einer Weise selbst organisieren, die einige Aspekte der frühen Entwicklungsstadien nachahmt. Ihre Ergebnisse werden im führenden Stammzellenjournal veröffentlicht Zellstammzelle.

Wir als Wissenschaftler sind daran interessiert, natürliche Phänomene wie die Bildung eines Embryos in das Gericht nachzubilden und umzusetzen, um Studien zu ermöglichen, die ansonsten mit natürlichen Systemen zu tun haben. Wir möchten wissen, wie sich Zellen in einem embryoähnlichen Modell organisieren und was schief gehen könnte, wenn es pathologische Zustände gibt, die ein Tier daran hindern, sich erfolgreich zu entwickeln. „

Ali Shariati, Assistenzprofessor für Biomolekulare Ingenieurwesen und Senior Autor der Studie

Zell-Co-Entwicklung

Shariati ist ein Experte für Stammzelltechnik, ein Feld, das Stammzellen verwendet – unspezialisierte Zellen, die jede Art von Zellen wie Darm- oder Gehirnzellen bilden können, um biologische und gesundheitliche Probleme zu untersuchen und zu lösen.

Dieses Projekt unter der Leitung des ucsc -postdoktoranden Gelehrten Gerrald Lodewijk und der Biomolekularen Alumna sowie der aktuellen Caltech -Doktoranden, Sayaka Kozuki, verwendeten Mausstammzellen, die üblicherweise im Labor angebaut werden, um grundlegende Bausteine ​​des Embryos zu bilden.

Das Team verwendete eine Version der CRISPR -Technologie, die als Epigenom -Editor bekannt ist und die DNA nicht reduziert, sondern auch, wie es ausgedrückt wird. Sie zielen auf Regionen des Genoms ab, von dem bekannt ist, dass sie an der Entwicklung eines frühen Embryos beteiligt waren. Dies ermöglichte es ihnen zu kontrollieren, welche Gene aktiviert wurden, und induzieren die Erzeugung von Haupttypen von Zellen, die für die frühe Entwicklung benötigt wurden.

„Wir verwenden die Stammzellen, die wie eine leere Leinwand sind, und induzieren sie mithilfe unserer CRISPR -Tools verschiedene Zelltypen“, sagte Lodewijik.

Diese Methode hatte den Vorteil, dass unterschiedliche Zelltypen „Co-Develop“ in „Co-Develop“ sind, was der natürlichen Embryo-Bildung ähnlicher ähnelt als die chemischen Ansätze, die andere Wissenschaftler verwendet haben, um verschiedene Zelltypen zu entwickeln.

„Diese Zellen entwickeln sich gemeinsam, genau wie in einem tatsächlichen Embryo, und stellen diese Geschichte des Nachbarns fest“, sagte Shariati. „Wir verändern ihr Genom nicht und setzen sie nicht spezifischen Signalmolekülen aus, sondern aktivieren die vorhandenen Gene.“

Das Team stellte fest, dass sich 80% der Stammzellen in einer Struktur organisieren, die nach einigen Tagen die grundlegendste Form eines Embryos nachahmt, und die meisten unterziehen sich der Genaktivierung, die den Entwicklungsprozess widerspiegelt, der in lebenden Organismen auftritt.

„Die Ähnlichkeit ist bemerkenswert in der Art und Weise, wie sich die Zellen selbst organisieren, sowie in der molekularen Zusammensetzung“, sagte Shariati. „[The cells require] Sehr wenig Input von uns – es ist, als ob die Zellen bereits wissen, was sie tun sollen, und wir geben ihnen nur ein bisschen Anleitung. “

Die Forscher beobachteten, dass die Zellen ein kollektives Verhalten bei der gemeinsamen Bewegung und Organisation zeigten.

„Einige von ihnen beginnen diese Rotationsmigration durchzuführen, fast wie das kollektive Verhalten von Vögeln oder anderen Arten“, sagte Shariati. „Durch dieses kollektive Verhalten und diese Migration können sie diese faszinierenden embryonalen Muster bilden.“

„Programmierbare“ Modelle

Ein genaues Basismodell, das einen frühen Embryo lebender Organismen widerspiegelt, kann es Wissenschaftlern ermöglichen, besser zu studieren und zu lernen, wie Entwicklungsstörungen oder Mutationen behandelt werden können.

„Diese Modelle haben eine vollständigere Darstellung dessen, was in frühen Entwicklungsstadien vor sich geht, und können den Hintergrund erfassen“, sagte Lodewijik.

Die CRISPR -Programmierung ermöglicht es den Wissenschaftlern nicht nur, die Gene zu Beginn des Experimentierprozesses zu aktivieren, sondern ermöglicht es ihnen auch, Gene zu aktivieren oder zu modifizieren, die für andere Teile der Entwicklung wichtig sind. Dies ermöglicht es den Embryo -Modellen, „programmierbar“ zu sein, was bedeutet, dass sie relativ leicht mit einem hohen Kontrollniveau beeinflusst werden können, um die Auswirkungen mehrerer Gene während der Entwicklung des Embryo -Modells zu zielen und zu testen.

Beispielsweise haben die Forscher gezeigt, wie bestimmte Gewebe während der frühen Entwicklung gebildet oder behindert werden. Ihre Methoden konnten jedoch verwendet werden, um eine Vielzahl von Genen und ihre Kaskadierungseffekte auf die Zelltypen zu untersuchen.

„Ich denke, dies ist die wegweisende Arbeit dieser Studie – die Programmierbarkeit und dass wir uns nicht auf extrinsische Faktoren verlassen, sondern viel Kontrolle in der Zelle haben“, sagte Shariati.

Die Forscher sind daran interessiert, wie dieser Ansatz verwendet werden könnte, um andere Arten zu untersuchen und einen Blick auf ihre Embryobildung zu ermöglichen, ohne jemals ihre tatsächlichen Embryonen zu verwenden.

Diese Forschung könnte die Untersuchung der Engpässe ermöglichen, die die Reproduktion in frühen Stadien scheitern lassen. Unter Säugetieren haben Menschen mehr Reproduktionsprobleme, da menschliche Embryonen häufig nicht die richtige frühe Organisationsform implantieren oder festlegen. Zu verstehen, warum dies der Fall ist, könnte dazu beitragen, Fortschritte bei der Verbesserung der menschlichen Fruchtbarkeit zu erzielen.

Quellen: