Эмбриомика
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( декабрь 2012 г. ) |
Эмбриомика — это идентификация, характеристика и изучение различных типов клеток, которые возникают во время эмбриогенеза , особенно в том, что касается местоположения и истории развития клеток в эмбрионе. Тип клеток можно определить по нескольким критериям: местонахождению в развивающемся эмбрионе , экспрессии генов , на что указывают маркеры белков и нуклеиновых кислот и поверхностные антигены , а также положение на эмбриогенном дереве.
Эмбриом
[ редактировать ]Существует множество клеточных маркеров, полезных для различения, классификации, разделения и очистки многочисленных типов клеток, присутствующих в любой момент времени в развивающемся организме. Эти клеточные маркеры состоят из избранных РНК и белков, присутствующих внутри, и поверхностных антигенов, присутствующих на поверхности клеток, составляющих эмбрион. Для любого данного типа клеток эти РНК и белковые маркеры отражают гены, характерно активные в этом типе клеток. организма Каталог всех этих типов клеток и их характерных маркеров известен как эмбриом . [ нужна ссылка ] Это слово представляет собой смесь эмбриона и генома . «Эмбриом» может также относиться к совокупности самих физических клеточных маркеров.
Эмбриогенез
[ редактировать ]Когда эмбрион развивается из оплодотворенной яйцеклетки, одна яйцеклетка разделяется на множество клеток, число которых увеличивается и мигрирует в соответствующие места внутри эмбриона в соответствующие моменты развития. По мере того, как клетки эмбриона растут и мигрируют, они также дифференцируются во все большее число различных типов клеток, в конечном итоге превращаясь в стабильные специализированные типы клеток, характерные для взрослого организма. Каждая из клеток эмбриона содержит одинаковый геном , характерный для данного вида. [ 1 ] но уровень активности каждого из многих тысяч генов , составляющих полный геном, варьируется и определяет конкретный тип клеток (например, нейрон, костная клетка, клетка кожи, мышечная клетка и т. д.).
Во время развития эмбриона (эмбриогенеза) присутствуют многие типы клеток, которых нет во взрослом организме. Эти временные клетки называются клетками-предшественниками и представляют собой промежуточные типы клеток, которые исчезают во время эмбриогенеза путем превращения в другие клетки-предшественники или в типы зрелых взрослых соматических клеток или которые исчезают из-за запрограммированной гибели клеток ( апоптоза ).
Весь процесс эмбриогенеза можно описать с помощью двух карт: карты эмбриона, временной последовательности трехмерных изображений развивающегося эмбриона, показывающих расположение клеток многих типов клеток, присутствующих в эмбрионе в данный момент времени. и эмбриогенное дерево — диаграмма, показывающая, как типы клеток происходят друг от друга во время эмбриогенеза.
Карта эмбриона представляет собой последовательность трехмерных изображений или фрагментов трехмерных изображений развивающегося эмбриона, которые при быстром просмотре во временном порядке образуют замедленную съемку растущего эмбриона.
Эмбриогенное дерево представляет собой диаграмму, показывающую временное развитие каждой клеточной линии эмбриона. Нарисованная на листе бумаги эта диаграмма принимает форму дерева, аналогичного эволюционному древу жизни , которое иллюстрирует развитие жизни на Земле. Однако вместо того, чтобы каждая ветвь на этом дереве представляла вид, как на древе жизни, каждая ветвь представляет определенный тип клеток, присутствующий в эмбрионе в определенное время. И конечно, эмбриогенное дерево охватывает период беременности недель или месяцев, а не миллиардов лет, как в случае с эволюционным древом жизни.
В данном случае речь идет об эмбриогенезе человека , но эмбриогенез у других видов позвоночных во многом следует той же схеме. Яйцеклетка (яйцеклетка) после оплодотворения сперматозоидом становится зиготой, представленной стволом в самом низу дерева. Эта единственная клетка-зигота делится два, три раза, образуя сначала кластер из двух клеток, затем из четырех клеток и, наконец, из восьми клеток. Еще одно клеточное деление доводит число клеток до 16, в это время она называется морулой, а не зиготой. Этот шар из 16 клеток затем реорганизуется в полую сферу, называемую бластоцистой. По мере того как количество клеток увеличивается с 16 до 40–150, бластоциста дифференцируется на два слоя: внешнюю сферу клеток, называемую трофобластом , и внутреннюю клеточную массу, называемую эмбриобластом.
Сферический наружный клеточный слой (трофобласт) после имплантации в стенку матки в дальнейшем дифференцируется и разрастается, образуя плаценту .
Клетки внутренней клеточной массы (эмбриобласты), известные как эмбриональные стволовые клетки человека (чЭСК), в дальнейшем дифференцируются с образованием четырех структур: амниона , желточного мешка , аллантоиса и самого эмбриона. Эмбриональные стволовые клетки человека являются плюрипотентными, то есть они могут дифференцироваться в любой из типов клеток, присутствующих у взрослого человека, а также в любой из промежуточных типов клеток-предшественников, которые в конечном итоге превращаются во взрослые клеточные линии. ЭСК также бессмертны, поскольку они могут делиться и расти в количестве бесконечно, не подвергаясь ни дифференцировке, ни клеточному старению (клеточному старению).
Первая дифференцировка чЭСК, формирующих собственно эмбрион, происходит на три типа клеток, известные как зародышевые листки: эктодерму , мезодерму и энтодерму . Эктодерма в конечном итоге формирует кожу (включая волосы и ногти), слизистые оболочки и нервную систему. Мезодерма образует скелет и мышцы, сердце и систему кровообращения, мочевыводящую и репродуктивную системы, а также соединительные ткани внутри тела. Энтодерма образует желудочно-кишечный тракт (желудок и кишечник), дыхательные пути и эндокринную систему (печень и железы внутренней секреции ).
Картирование эмбриогенного дерева
[ редактировать ]Основная цель эмбриомики — полное картирование эмбриогенного дерева: идентификация каждого типа клеток, присутствующих в развивающемся эмбрионе, и размещение их на дереве на соответствующей ветви. Существует неизвестное количество, вероятно, тысячи, различных типов клеток, присутствующих в развивающемся эмбрионе, включая линии клеток-предшественников, которые присутствуют лишь временно и которые исчезают либо путем дифференцировки в постоянные типы соматических клеток, которые составляют ткани тела младенца в рождения (или в другие клеточные линии-предшественники) или путем прохождения процесса запрограммированной гибели клеток, известного как апоптоз.
Каждый тип клеток определяется тем, какие гены характерно активны в этом типе клеток. Определенный ген в геноме клетки кодирует выработку определенного белка , то есть, когда этот ген включен (активен), белок, кодируемый этим геном, производится и присутствует где-то в клетке. Производство определенного белка включает производство определенной последовательности мРНК ( информационной РНК ) в качестве промежуточного этапа синтеза белка. Эта мРНК производится путем копирования, называемого транскрипцией , из ДНК в ядре клетки. Образующаяся таким образом мРНК перемещается из ядра в цитоплазму, где встречается и закрепляется на рибосомах, прикрепившихся к цитоплазматической стороне эндоплазматического ретикулума . Присоединение цепи мРНК к рибосоме инициирует выработку белка, кодируемого цепью мРНК. Таким образом, профиль активных генов в клетке отражается в наличии или отсутствии соответствующих белков и цепей мРНК в цитоплазме клетки, а Белки-антигены присутствуют на внешней мембране клетки. Таким образом, обнаружение, определение и классификация клеток по их типу включает обнаружение и измерение типа и количества конкретных молекул белка и РНК, присутствующих в клетках.
Кроме того, картирование дерева эмбриогенеза включает в себя присвоение каждому конкретному, идентифицируемому типу клеток определенной ветви или места на дереве. Для этого необходимо знать «происхождение» каждого типа клеток, то есть какой тип клеток предшествовал ему в процессе развития. Эту информацию можно получить, детально наблюдая за распределением и расположением клеток по типам в развивающемся эмбрионе, а также наблюдая в клетках, растущих в культуре (« in vitro »), любые события дифференцировки, если они происходят по какой-либо причине. , и другими способами.
Клетки, особенно эмбриональные, чувствительны к присутствию или отсутствию определенных химических молекул в их окружении. Это основа клеточной передачи сигналов , и во время эмбриогенеза клетки «разговаривают друг с другом», излучая и получая сигнальные молекулы . Так организуется и контролируется развитие структуры эмбриона. Если клетки определенной линии были удалены из эмбриона и растут одни в чашке Петри в лаборатории, а некоторые сигнальные химические вещества помещены в питательную среду, омывающую клетки, это может побудить клетки дифференцироваться в другую, «дочерний» тип клеток, имитирующий процесс дифференцировки, который естественным образом происходит в развивающемся эмбрионе. Искусственная индукция дифференцировки таким способом может дать ключ к правильному размещению конкретной клеточной линии в эмбриогенном дереве путем наблюдения за тем, какие клетки возникают в результате индукции дифференцировки.
В лаборатории эмбриональные стволовые клетки человека, растущие в культуре, можно стимулировать к дифференцировке в клетки-предшественники путем воздействия на ЭСК химических веществ (например, белковых факторов роста и дифференцировки), присутствующих в развивающемся эмбрионе. Полученные таким образом клетки-предшественники могут затем быть изолированы в чистые колонии, выращены в культуре, а затем классифицированы в соответствии с типом и присвоенными позициями на эмбриогенном дереве. Такие очищенные культуры клеток-предшественников могут использоваться в исследованиях по изучению болезненных процессов in vitro, в качестве диагностических инструментов или потенциально разрабатываться для использования в терапии регенеративной медицины. [ 2 ]
Регенеративная медицина
[ редактировать ]Эмбриомика является основной наукой, поддерживающей развитие регенеративной медицины . Регенеративная медицина предполагает использование специально выращенных клеток, тканей и органов в качестве терапевтических средств для лечения болезней и восстановления травм и возникла в результате развития технологии клонирования млекопитающих. [ 3 ] Другие медицинские и хирургические методы могут использовать химические вещества ( фармацевтические препараты ) в качестве терапевтических средств, или включать удаление поврежденных или больных тканей ( хирургия ), или использовать вставленные ткани или органы ( хирургия трансплантации ). Использование трансплантированных тканей или органов в медицине не классифицируется как регенеративная медицина, поскольку ткани и органы не выращивались специально для использования в качестве терапевтических средств.
В конечном счете, одной из целей регенеративной медицины и прикладной эмбриомики является создание клеток, тканей и органов, выращенных из клеток, взятых у пациента для лечения. Этого можно достичь путем перепрограммирования взрослых стволовых или соматических клеток, удаленных от пациента, так, чтобы эти клетки вернулись в плюрипотентное , эмбриональное состояние. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Эти синтетические стволовые клетки затем будут выращивать в культуре и дифференцировать в соответствующий тип клеток, показанный для лечения заболевания или травмы пациента. Преимуществами этого метода по сравнению с современными методами лечения являются: устранение иммунного отторжения, сопровождающего трансплантацию аллотрансплантата , создание полного набора клеток, тканей и органов по мере необходимости, а также создание молодых клеток, тканей и органов для трансплантации и омоложения .
Технологию выращивания клеток, тканей и органов для использования в регенеративной медицине можно разработать, используя в качестве руководства естественный ход развития этих клеток, тканей и органов во время эмбриогенеза. Таким образом, детальное знание всего эмбриома и эмбриогенного дерева является ключом к раскрытию полного потенциала регенеративной медицины.
Эмбриомика также включает применение эмбриональных данных и теории для разработки практических методов оценки, классификации, культивирования, очистки, дифференциации и манипулирования эмбриональными клетками человека.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Геном, конечно, немного варьируется от человека к человеку, но эти небольшие вариации включены в геном вида.
- ^ Уэст, Майкл Д.; Сарджент, Р. Джеффри; Лонг, Джефф; Браун, Коллин; Чу, Цзин Сун; Кесслер, Стивен; Дерюгин, Никита; Сампаткумар, Джанани; Берроуз, Кортни; Вазири, Хомаюн; Уильямс, Рой; Чепмен, Карен Б; Ларокка, Дэвид; Лоринг, Жанна Ф; Мурай, Джеймс (2008). «Инициатива ACTCellerate: крупномасштабное комбинаторное клонирование новых производных эмбриональных стволовых клеток человека» . Регенеративная медицина . 3 (3): 287–308. дои : 10.2217/17460751.3.3.287 . ПМИД 18462054 .
- ^ Уилмут, И.; Шниеке, А.Е.; МакВир, Дж.; Добрый, Эй Джей; Кэмпбелл, KHS (1997). «Жизнеспособное потомство, полученное из клеток плода и взрослых млекопитающих». Природа . 385 (6619): 810–3. Бибкод : 1997Natur.385..810W . дои : 10.1038/385810a0 . ПМИД 9039911 . S2CID 4260518 .
- ^ Такахаси, Кадзутоши; Танабэ, Кодзи; Онуки, Мари; Нарита, Мегуми; Ичисака, Томоко; Томода, Киичиро; Яманака, Шинья (2007). «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из фибробластов взрослого человека определенными факторами». Клетка . 131 (5): 861–72. дои : 10.1016/j.cell.2007.11.019 . hdl : 2433/49782 . ПМИД 18035408 . S2CID 8531539 .
- ^ Такахаси, Кадзутоши; Яманака, Шинья (2006). «Индукция плюрипотентных стволовых клеток из эмбриональных и взрослых культур фибробластов мышей с помощью определенных факторов» (PDF) . Клетка . 126 (4): 663–76. дои : 10.1016/j.cell.2006.07.024 . ПМИД 16904174 . S2CID 1565219 .
- ^ Ю, Дж.; Водяник, М.А.; Смуга-Отто, К.; Антосевич-Бурже, Ж.; Фране, JL; Тиан, С.; Ни, Дж.; Джонсдоттир, Джорджия; Руотти, В.; Стюарт, Р.; Слюквин, II; Томсон, Дж. А. (2007). «Индуцированные плюрипотентные линии стволовых клеток, полученные из соматических клеток человека». Наука . 318 (5858): 1917–20. Бибкод : 2007Sci...318.1917Y . дои : 10.1126/science.1151526 . ПМИД 18029452 . S2CID 86129154 .
Ссылки
[ редактировать ]- Уэст, Майкл Д. (16 сентября 2003 г.). Бессмертная клетка (1-е изд.). Даблдэй.
- Пански, Бен (1 декабря 1982 г.). Обзор медицинской эмбриологии . Макмиллан.
- Стэндринг, Сьюзен (21 ноября 2008 г.). Анатомия Грея (40-е изд.). Черчилль Ливингстон.
- Томсон, Дж.А.; Ицковиц-Элдор, Дж; Шапиро, СС; Вакниц, Массачусетс; Свергель, Джей Джей; Маршалл, В.С.; Джонс, Дж. М. (1998). «Линии эмбриональных стволовых клеток, полученные из бластоцист человека» . Наука . 282 (5391): 1145–7. Бибкод : 1998Sci...282.1145T . дои : 10.1126/science.282.5391.1145 . ПМИД 9804556 .