Гаструлоид
Гаструлоиды представляют собой трехмерные агрегаты эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), которые при культивировании в определенных условиях демонстрируют организацию, напоминающую организацию эмбриона. Они развиваются по трем ортогональным осям и содержат примордиальные клетки различных тканей, происходящие из трех зародышевых листков, без присутствия внеэмбриональных тканей. Примечательно, что у них нет структур переднего , среднего и заднего мозга . Гаструлоиды служат ценной модельной системой для изучения развития млекопитающих, включая развитие человека, а также связанных с ним заболеваний. Они представляют собой модельную систему, эмбриональный органоид для изучения развития млекопитающих (включая человека) и болезней. [1] [2] [3]
Фон
[ редактировать ]Модельная система гаструлоида берет свое начало в работе Марикавы и др. . [4] В этом исследовании небольшое количество клеток эмбриональной карциномы (EC) P19 мыши было агрегировано в виде эмбриоидных телец (EB) и использовано для моделирования и исследования процессов, связанных с переднезадней полярностью и формированием области примитивных полосок. [4] В этой работе EBs смогли организоваться в структуры с поляризованной экспрессией генов, осевым удлинением/организацией и активацией задних мезодермальных маркеров. Это резко контрастировало с работой с использованием ЭТ из ЭСК мыши, которые в небольшом количестве случаев показали некоторую поляризацию экспрессии генов, но не привели к дальнейшему развитию многоклеточной системы. [5] [6]
После этого исследования лаборатория Мартинеса Ариаса на факультете генетики Кембриджского университета продемонстрировала, как агрегаты эмбриональных стволовых клеток мыши (ЭСК) способны генерировать структуры, демонстрирующие коллективное поведение, поразительно похожее на поведение на ранних стадиях развития, например симметрию. разрыв (с точки зрения экспрессии генов), осевое удлинение и спецификация зародышевого слоя. [1] [2] [3] Цитата из оригинальной статьи: «В целом эти наблюдения еще раз подчеркивают сходство между процессами, которые мы здесь обнаружили, и событиями в эмбрионе. Движения связаны с движениями клеток гаструлирующих эмбрионов, и по этой причине мы называем эти агрегаты «гаструлоиды». Как отметили авторы этого протокола, решающее различие между этим методом культивирования и предыдущей работой с мышиными ЭТ заключалось в использовании небольшого количества клеток, что может быть важно для создания правильного масштаба длины для формирования паттерна, а также в использовании полученных условий культивирования. от направленной дифференцировки ЭСК в адгезивной культуре [1] [7] [3] [2] [8]
Брахиурия (T/Bra) , ген, который отмечает примитивную полоску и место гаструляции, активируется в гаструлоидах после импульса агониста Wnt/β-катенина CHIR99021. [9] (Чи; другие факторы также были проверены [1] ) и локализуется до удлиняющегося кончика гаструлоида. Из области, экспрессирующей T/Bra, или вблизи нее, клетки, экспрессирующие мезодермальный маркер tbx6, экструдируются из клеток, подобных клеткам гаструлирующего эмбриона; именно по этой причине эти структуры называются гаструлоидами. [1]
Дальнейшие исследования показали, что события, которые определяют экспрессию T/Bra в гаструлоидах, имитируют события у эмбриона. [2] Через семь дней гаструлоиды демонстрируют организацию, очень похожую на эмбрион в середине беременности с пространственно организованными зачатками для всех мезодермальных (аксиальных, параксиальных, промежуточных, сердечных, краниальных и кроветворных) и энтодермальных производных, а также спинного мозга. [10] [11] [3] Они также реализуют экспрессию гена Hox с пространственно-временными координатами эмбриона. [3] У гаструлоидов отсутствует мозг, а также внеэмбриональные ткани, но характеристика клеточной сложности гаструлоидов на уровне одиночных клеток и пространственной транскриптомики показывает, что они содержат представителей трех зародышевых листков, включая нервный гребень, первичные зародышевые клетки и плакодные зачатки. [12] [13]
Особенностью гаструлоидов является разрыв транскрипционных программ и контуров с морфогенезом. Однако изменения в условиях культивирования могут вызвать морфогенез, наиболее значимо было показано, что гаструлоиды образуют сомиты. [13] [12] и ранние структуры сердца. [14] Кроме того, взаимодействия между гаструлоидами и внеэмбриональными тканями способствуют образованию передней, подобной мозгу, поляризованной ткани. [15]
Недавно из ЭСК человека были получены гаструлоиды. [16] что дает биологам развития возможность изучать раннее развитие человека без использования человеческих эмбрионов. Однако важно отметить, что модель гаструлоида человека не способна образовывать человеческий эмбрион, а это означает, что она является неинтактной, нежизнеспособной и неэквивалентной человеческим эмбрионам in vivo .
Термин «гаструлоид» был расширен и теперь включает в себя самоорганизующиеся структуры эмбриональных стволовых клеток человека по паттернам (микропаттернам), которые имитируют ранние события формирования паттерна в развитии; [17] [18] эти механизмы следует называть 2D-гаструлоидами.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Бринк, Сюзанна К. ван ден; Бэйли-Джонсон, Питер; Балайо, Тина; Хаджантонакис, Анна-Катерина; Новочин, Соня; Тернер, Дэвид А.; Ариас, Альфонсо Мартинес (15 ноября 2014 г.). «Нарушение симметрии, спецификация зародышевого листка и аксиальная организация в агрегатах эмбриональных стволовых клеток мыши» . Разработка . 141 (22): 4231–4242. дои : 10.1242/dev.113001 . ISSN 0950-1991 . ПМК 4302915 . ПМИД 25371360 .
- ^ Jump up to: а б с д Тернер, Дэвид А.; Гиргин, Мехмет; Алонсо-Кризостомо, Луз; Триведи, Викас; Бэйли-Джонсон, Питер; Глодовски, Шериз Р.; Хейворд, Пенелопа К.; Коллиньон, Жером; Густавсен, Карстен (01 ноября 2017 г.). «Переднезадняя полярность и удлинение при отсутствии внеэмбриональных тканей и пространственно-локализованной передачи сигналов в гаструлоидах: эмбриональные органоиды млекопитающих» . Разработка . 144 (21): 3894–3906. дои : 10.1242/dev.150391 . ISSN 0950-1991 . ПМК 5702072 . ПМИД 28951435 .
- ^ Jump up to: а б с д и Беккари, Леонардо; Морис, Наоми; Гиргин, Мехмет; Тернер, Дэвид А.; Бэйли-Джонсон, Питер; Косси, Анна-Катрин; Лютольф, Матиас П.; Дюбул, Денис; Ариас, Альфонсо Мартинес (октябрь 2018 г.). «Свойства многоосной самоорганизации эмбриональных стволовых клеток мыши в гаструлоиды» . Природа . 562 (7726): 272–276. Бибкод : 2018Natur.562..272B . дои : 10.1038/s41586-018-0578-0 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 30283134 . S2CID 52915553 .
- ^ Jump up to: а б Марикава, Юсуке; Тамасиро, Дана Энн А.; Фудзита, Токо К.; Аларкон, Вернадет Б. (1 февраля 2009 г.). «Агрегированные клетки эмбриональной карциномы мыши P19 как простая модель in vitro для изучения молекулярных регуляций формирования мезодермы и морфогенеза осевого удлинения» . Бытие . 47 (2): 93–106. дои : 10.1002/dvg.20473 . ISSN 1526-968X . ПМК 3419260 . ПМИД 19115346 .
- ^ Лихи, Эми; Сюн, Цзин-Вэй; Кунерт, Франк; Штульманн, Хайди (1999). «Использование генов-маркеров развития для определения временных и пространственных закономерностей дифференцировки во время формирования эмбрионального тела» . Журнал экспериментальной зоологии . 284 (1): 67–81. Бибкод : 1999JEZ...284...67L . doi : 10.1002/(SICI)1097-010X(19990615)284:1<67::AID-JEZ10>3.0.CO;2-O . ISSN 1097-010X . ПМИД 10368935 .
- ^ тен Берге, Дерк; Кул, Воутер; Фюрер, Кристоф; Фиш, Мэтт; Эроглу, Элиф; Нусс, Роэл (ноябрь 2008 г.). «Передача сигналов Wnt опосредует самоорганизацию и формирование осей в эмбриональных телах» . Клеточная стволовая клетка . 3 (5): 508–518. дои : 10.1016/j.stem.2008.09.013 . ПМЦ 2683270 . ПМИД 18983966 .
- ^ Бэйли-Джонсон, Питер; Бринк, Сюзанна Карина ван ден; Балайо, Тина; Тернер, Дэвид Эндрю; Ариас, Альфонсо Мартинес (2015). «Поколение агрегатов эмбриональных стволовых клеток мыши, которые демонстрируют нарушение симметрии, поляризацию и возникающее коллективное поведение in vitro » . Журнал визуализированных экспериментов (105): e53252. дои : 10.3791/53252 . ПМЦ 4692741 . ПМИД 26650833 .
- ^ Гиргин, Мехмет; Тернер, Дэвид Эндрю; Бэйли-Джонсон, Питер; Косси, Анна-Катрин; Беккари, Леонардо; Морис, Наоми; Лютольф, Матиас; Дюбул, Денис; Мартинес Ариас, Альфонсо (12 октября 2018 г.). «Получение гаструлоидов из эмбриональных стволовых клеток мыши» . Протокол обмена . дои : 10.1038/protex.2018.094 . ISSN 2043-0116 .
- ^ Ринг, Дэвид Б.; Джонсон, Кирк В.; Хенриксен, Эрик Дж.; Нусс, Джон М.; Гофф, датчанин; Кинник, Тайсон Р.; Ма, Сильвия Т.; Ридер, Джон В.; Сэмюэлс, Иса (01 марта 2003 г.). «Селективные ингибиторы киназы гликогенсинтазы 3 усиливают активацию инсулином транспорта и утилизации глюкозы in vitro и in vivo» . Диабет . 52 (3): 588–595. дои : 10.2337/диабет.52.3.588 . ISSN 0012-1797 . ПМИД 12606497 .
- ^ Хашми, Али; Тлили, Шам; Перрен, Пьер; Мартинес-Ариас, Альфонсо; Ленн, Пьер-Франсуа (24 мая 2020 г.). «Переходы между состояниями клеток и коллективное движение клеток создают у гаструлоидов энтодермоподобную область» . дои : 10.1101/2020.05.21.105551 . hdl : 10230/53528 . S2CID 218891815 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Вианелло, Стефано; Лютольф, Маттиас П. (09.06.2020). «Появление энтодермы и самоорганизация in vitro в отсутствие экстраэмбриональных тканей и эмбриональной архитектуры» . дои : 10.1101/2020.06.07.138883 . S2CID 219604191 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б Винвлит, Джесси В.; Болонди, Адриано; Крецмер, Хелен; Скин, Лия; Шольце-Виттлер, Мануэла; Шифферл, Деннис; Кох, Фредерик; Удар, Милена; Хейманн, Саймон; Бушоу, Рене; Виттлер, Ларс (04 марта 2020 г.). «Эмбриональные стволовые клетки мыши самоорганизуются в структуры, похожие на хобот, с нервной трубкой и ветвями» . дои : 10.1101/2020.03.04.974949 . hdl : 21.11116/0000-0007-AB69-3 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б ван ден Бринк, Сюзанна К.; Алемани, Анна; ван Батенбург, Винсент; Морис, Наоми; Блотенбург, Марлос; Вивье, Джудит; Бэйли-Джонсон, Питер; Николс, Дженнифер; Соннен, Катарина Ф.; Мартинес Ариас, Альфонсо; ван Ауденарден, Александр (июнь 2020 г.). «Одноклеточная и пространственная транскриптомика выявляет сомитогенез у гаструлоидов» . Природы . 582 (7812): 405–409. Бибкод : 2020Природа.582..405В . дои : 10.1038/s41586-020-2024-3 . hdl : 10230/56609 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 32076263 . S2CID 211194842 .
- ^ Росси, Джулиана; Бони, Андреа; Гийе, Ромен; Гиргин, Мехмет; Келли, Роберт Г.; Лутольф, Маттиас П. (14 октября 2019 г.). «Эмбриональные органоиды повторяют ранний органогенез сердца» : 802181. doi : 10.1101/802181 . S2CID 208588024 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Беранжер-Курриас, Ноэми MLP; Мирча, Мария; Адегест, Эсми; ван ден Берг, Патрик Р.; Феликсик, Марлин; Ошане, Мазен; Идема, Тимон; Танс, Сандер Дж.; Семрау, Стефан (14 февраля 2020 г.). «Ранняя нейруляция, возникающая в совокупности эмбриональных и экстраэмбриональных клеток» . дои : 10.1101/2020.02.13.947655 . S2CID 238251910 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Морис, Наоми; Анлас, Керим; ван ден Бринк, Сюзанна К.; Алемани, Анна; Шредер, Джулия; Гимире, Сабитри; Балайо, Тина; ван Ауденарден, Александр; Мартинес Ариас, Альфонсо (июнь 2020 г.). «Модель ранней переднезадней организации in vitro в процессе развития человека» . Природы . 582 (7812): 410–415. Бибкод : 2020Natur.582..410M . дои : 10.1038/s41586-020-2383-9 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32528178 . S2CID 219567725 .
- ^ Эток, Фред; Мецгер, Якоб; Рузо, Альберт; Кирст, Кристоф; Йони, Анна; Озаир, М. Зишан; Бриванлу, Али Х.; Сиггиа, Эрик Д. (2016). «Баланс между секретируемыми ингибиторами и контролем краевой чувствительности гаструлоидной самоорганизации» . Развивающая клетка . 39 (3): 302–315. дои : 10.1016/j.devcel.2016.09.016 . ПМК 5113147 . ПМИД 27746044 .
- ^ Вармфлэш, Арье; Сорре, Бенуа; Эток, Фред; Сиггиа, Эрик Д; Бриванлу, Али Х (2014). «Метод повторения раннего эмбрионального пространственного паттерна в эмбриональных стволовых клетках человека» . Природные методы . 11 (8): 847–854. дои : 10.1038/nmeth.3016 . ПМК 4341966 . ПМИД 24973948 .