stringtranslate.com

Гаструлоид

Пример гаструлоида, сформированного из эмбриональных стволовых клеток мыши Brachyury::GFP, обработанных импульсом агониста Wnt/β-катенина CHIR99021 между 48 и 72 часами и полученного с помощью широкопольной флуоресцентной микроскопии через 120 часов. Обратите внимание на поляризованную экспрессию Brachyury::GFP (Bra) на удлиняющемся кончике гаструлоида. Изображение от van den Brink et al. (2014), использовано с лицензией CC-BY.

Гаструлоиды представляют собой трехмерные агрегаты эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), которые при культивировании в определенных условиях демонстрируют организацию, напоминающую эмбрион. Они развиваются с тремя ортогональными осями и содержат первичные клетки для различных тканей, полученных из трех зародышевых листков, без присутствия внезародышевых тканей. Примечательно, что они не обладают структурами переднего , среднего и заднего мозга . Гаструлоиды служат ценной модельной системой для изучения развития млекопитающих, включая развитие человека, а также заболеваний, связанных с ним. Они являются модельной системой эмбрионального органоида для изучения развития млекопитающих (включая человека) и заболеваний. [1] [2] [3]

Фон

Система модели гаструлоида берет свое начало в работе Марикавы и др . [4] В этом исследовании небольшое количество клеток эмбриональной карциномы (ЭК) мыши P19 были объединены в эмбриональные тельца (ЭТ) и использованы для моделирования и исследования процессов, связанных с переднезадней полярностью и образованием области примитивной полоски. [4] В этой работе ЭТ смогли организоваться в структуры с поляризованной экспрессией генов, осевым удлинением/организацией и повышением регуляции задних мезодермальных маркеров. Это резко контрастировало с работой с использованием ЭТ из эмбриональных стволовых клеток мышей, которая показала некоторую поляризацию экспрессии генов в небольшом количестве случаев, но не дальнейшее развитие многоклеточной системы. [5] [6]

После этого исследования лаборатория Мартинеса Ариаса на кафедре генетики Кембриджского университета продемонстрировала, как агрегаты эмбриональных стволовых клеток мыши (ЭСК) смогли сформировать структуры, которые демонстрировали коллективное поведение с поразительным сходством с поведением на раннем этапе развития, таким как нарушение симметрии (с точки зрения экспрессии генов), осевое удлинение и спецификация зародышевого слоя. [1] [2] [3] Цитата из оригинальной статьи: «В целом эти наблюдения еще больше подчеркивают сходство между процессами, которые мы обнаружили здесь, и событиями в эмбрионе. Движения связаны с движениями клеток в гаструлирующих эмбрионах, и по этой причине мы называем эти агрегаты «гаструлоидами». Как отмечают авторы этого протокола, решающим отличием между этим методом культивирования и предыдущей работой с ЭТ мыши было использование небольшого количества клеток, что может быть важно для создания правильной шкалы длины для паттернирования, и использование условий культивирования, полученных из направленной дифференциации ЭСК в адгезивной культуре [1] [7] [3] [2] [8]

Brachyury (T/Bra) , ген, который маркирует первичную полоску и место гаструляции, активируется у гаструлоидов после импульса агониста Wnt/β-катенина CHIR99021 [9] (Chi; также были протестированы другие факторы [1] ) и становится региональным в удлиняющемся кончике гаструлоида. Из или около области, экспрессирующей T/Bra, клетки, экспрессирующие мезодермальный маркер tbx6, выдавливаются из клеток, подобных клеткам в гаструлирующем эмбрионе; именно по этой причине эти структуры называются гаструлоидами. [1]

Дальнейшие исследования показали, что события, которые определяют экспрессию T/Bra у гаструлоидов, имитируют события в эмбрионе. [2] Через семь дней гаструлоиды демонстрируют организацию, очень похожую на эмбрион середины беременности с пространственно организованными зачатками для всех мезодермальных (осевых, параксиальных, промежуточных, сердечных, краниальных и кроветворных) и энтодермальных производных, а также спинного мозга. [10] [11] [3] Они также реализуют экспрессию генов Hox с пространственно-временными координатами, как у эмбриона. [3] У гаструлоидов отсутствует мозг, а также внеэмбриональные ткани, но характеристика клеточной сложности гаструлоидов на уровне отдельных клеток и пространственной транскриптомики показывает, что они содержат представителей трех зародышевых слоев, включая нервный гребень, первичные зародышевые клетки и плакодные зачатки. [12] [13]

Особенностью гаструлоидов является разрыв между транскрипционными программами и контурами и морфогенезом. Однако изменения в условиях культивирования могут вызывать морфогенез, наиболее существенно, что гаструлоиды, как было показано, образуют сомиты [13] [12] и ранние сердечные структуры. [14] Кроме того, взаимодействия между гаструлоидами и внеэмбриональными тканями способствуют образованию передней, подобной мозгу поляризованной ткани. [15]

Недавно гаструлоиды были получены из человеческих эмбриональных стволовых клеток [16] , что дает биологам развития возможность изучать раннее развитие человека без необходимости в человеческих эмбрионах. Однако важно то, что модель человеческого гаструлоида не способна сформировать человеческий эмбрион, что означает, что она не является интактной, нежизнеспособной и не эквивалентной человеческим эмбрионам in vivo .

Термин «гаструлоид» был расширен и теперь включает в себя самоорганизующиеся структуры человеческих эмбриональных стволовых клеток, имеющие узоры (микроструктуры), которые имитируют ранние события формирования узоров в процессе развития; [17] [18] такие структуры следует называть двумерными гаструлоидами.

Ссылки

  1. ^ abcde Brink, Susanne C. van den; Baillie-Johnson, Peter; Balayo, Tina; Hadjantonakis, Anna-Katerina; Novotschin, Sonja; Turner, David A.; Arias, Alfonso Martinez (2014-11-15). "Нарушение симметрии, спецификация зародышевого слоя и аксиальная организация в агрегатах эмбриональных стволовых клеток мыши". Development . 141 (22): 4231–4242. doi :10.1242/dev.113001. ISSN  0950-1991. PMC  4302915 . PMID  25371360.
  2. ^ abcd Тернер, Дэвид А.; Гиргин, Мехмет; Алонсо-Кризостомо, Луз; Триведи, Викас; Бейли-Джонсон, Питер; Глодовски, Шериз Р.; Хейворд, Пенелопа К.; Коллиньон, Жером; Густавсен, Карстен (2017-11-01). «Переднезадняя полярность и удлинение при отсутствии внеэмбриональных тканей и пространственно локализованной сигнализации у гаструлоидов: эмбриональные органоиды млекопитающих». Развитие . 144 (21): 3894–3906. doi :10.1242/dev.150391. ISSN  0950-1991. PMC 5702072. PMID 28951435  . 
  3. ^ abcde Беккари, Леонардо; Морис, Наоми; Гиргин, Мехмет; Тернер, Дэвид А.; Бейли-Джонсон, Питер; Косси, Энн-Кэтрин; Лутольф, Маттиас П.; Дюбуль, Денис; Ариас, Альфонсо Мартинес (октябрь 2018 г.). «Свойства многоосной самоорганизации эмбриональных стволовых клеток мыши в гаструлоиды». Nature . 562 (7726): 272–276. Bibcode :2018Natur.562..272B. doi :10.1038/s41586-018-0578-0. ISSN  0028-0836. PMID  30283134. S2CID  52915553.
  4. ^ ab Marikawa, Yusuke; Tamashiro, Dana Ann A.; Fujita, Toko C.; Alarcón, Vernadeth B. (2009-02-01). "Агрегированные клетки эмбриональной карциномы мыши P19 как простая модель in vitro для изучения молекулярных регуляций формирования мезодермы и морфогенеза аксиального удлинения". Genesis . 47 (2): 93–106. doi :10.1002/dvg.20473. ISSN  1526-968X. PMC 3419260 . PMID  19115346. 
  5. ^ Лихи, Эми; Сюн, Цзин-Вэй; Кунерт, Франк; Штульманн, Хайди (1999). «Использование генов-маркеров развития для определения временных и пространственных закономерностей дифференциации во время формирования эмбрионального тела». Журнал экспериментальной зоологии . 284 (1): 67–81. Bibcode :1999JEZ...284...67L. doi :10.1002/(SICI)1097-010X(19990615)284:1<67::AID-JEZ10>3.0.CO;2-O. ISSN  1097-010X. PMID  10368935.
  6. ^ ten Berge, Derk; Koole, Wouter; Fuerer, Christophe; Fish, Matt; Eroglu, Elif; Nusse, Roel (ноябрь 2008 г.). «Wnt Signaling Mediates Self-Organization and Axis Formation in Embryoid Bodies». Cell Stem Cell . 3 (5): 508–518. doi :10.1016/j.stem.2008.09.013. PMC 2683270 . PMID  18983966. 
  7. ^ Бейли-Джонсон, Питер; Бринк, Сюзанна Карина ван ден; Балайо, Тина; Тернер, Дэвид Эндрю; Ариас, Альфонсо Мартинес (2015). «Генерация агрегатов эмбриональных стволовых клеток мыши, демонстрирующих нарушение симметрии, поляризацию и возникающее коллективное поведение in vitro». Журнал визуализированных экспериментов (105): e53252. doi :10.3791/53252. PMC 4692741. PMID  26650833 . 
  8. ^ Girgin, Mehmet; Turner, David Andrew; Baillie-Johnson, Peter; Cossy, Anne-Catherine; Beccari, Leonardo; Moris, Naomi; Lutolf, Matthias; Duboule, Denis; Martinez Arias, Alfonso (2018-10-12). "Generating Gastruloids from Mouse Embryonic Stem Cells". Protocol Exchange . doi : 10.1038/protex.2018.094 . ISSN  2043-0116.
  9. ^ Ринг, Дэвид Б.; Джонсон, Кирк В.; Хенриксен, Эрик Дж.; Нусс, Джон М.; Гофф, Дейн; Кинник, Тайсон Р.; Ма, Сильвия Т.; Ридер, Джон В.; Сэмюэлс, Иса (2003-03-01). «Селективные ингибиторы гликогенсинтазы киназы 3 усиливают активацию инсулина при транспорте и использовании глюкозы in vitro и in vivo». Диабет . 52 (3): 588–595. doi : 10.2337/diabetes.52.3.588 . ISSN  0012-1797. PMID  12606497.
  10. ^ Хашми, Али; Тлили, Шам; Перрен, Пьер; Мартинес-Ариас, Альфонсо; Ленн, Пьер-Франсуа (2020-05-24). «Переходы между состояниями клеток и коллективное движение клеток создают у гаструлоидов область, подобную энтодерме». doi : 10.1101/2020.05.21.105551 . hdl : 10230/53528 . S2CID  218891815. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  11. ^ Вианелло, Стефано; Лутольф, Маттиас П. (2020-06-09). «Возникновение энтодермы in vitro и самоорганизация при отсутствии внезародышевых тканей и эмбриональной архитектуры». doi :10.1101/2020.06.07.138883. S2CID  219604191. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  12. ^ аб Винвлит, Джесси В.; Болонди, Адриано; Крецмер, Хелен; Хаут, Лия; Шольце-Виттлер, Мануэла; Шифферл, Деннис; Кох, Фредерик; Пустет, Милена; Хейманн, Саймон; Бушоу, Рене; Виттлер, Ларс (04 марта 2020 г.). «Эмбриональные стволовые клетки мыши самоорганизуются в хоботоподобные структуры с нервной трубкой и сомитами». дои : 10.1101/2020.03.04.974949. hdl : 21.11116/0000-0007-AB69-3 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ Аб 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». Природа . 582 (7812): 405–409. Бибкод : 2020Natur.582..405V. дои : 10.1038/s41586-020-2024-3. hdl : 10230/56609 . ISSN  1476-4687. PMID  32076263. S2CID  211194842.
  14. ^ Росси, Джулиана; Бони, Андреа; Гийе, Ромен; Гиргин, Мехмет; Келли, Роберт Г.; Лутольф, Маттиас П. (14.10.2019). «Эмбриональные органоиды повторяют ранний органогенез сердца»: 802181. doi : 10.1101/802181 . S2CID  208588024. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  15. ^ Беранжер-Курриас, Ноэми MLP; Мирча, Мария; Адегест, Эсме; ван ден Берг, Патрик Р.; Феликсик, Марлин; Ошане, Мазен; Идема, Тимон; Танс, Сандер Дж.; Семрау, Стефан (14 февраля 2020 г.). «Ранняя нейруляция повторяется в совокупностях эмбриональных и внеэмбриональных клеток». дои : 10.1101/2020.02.13.947655. S2CID  238251910. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  16. ^ 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». Природа . 582 (7812): 410–415. Бибкод : 2020Natur.582..410M. дои : 10.1038/s41586-020-2383-9. ISSN  0028-0836. PMID  32528178. S2CID  219567725.
  17. ^ Etoc, Fred; Metzger, Jakob; Ruzo, Albert; Kirst, Christoph; Yoney, Anna; Ozair, M. Zeeshan; Brivanlou, Ali H.; Siggia, Eric D. (2016). «Баланс между секретируемыми ингибиторами и распознаванием краев контролирует самоорганизацию гаструлоидов». Developmental Cell . 39 (3): 302–315. doi :10.1016/j.devcel.2016.09.016. PMC 5113147 . PMID  27746044. 
  18. ^ Warmflash, Aryeh; Sorre, Benoit; Etoc, Fred; Siggia, Eric D; Brivanlou, Ali H (2014). «Метод повторения раннего эмбрионального пространственного паттернирования в эмбриональных стволовых клетках человека». Nature Methods . 11 (8): 847–854. doi :10.1038/nmeth.3016. PMC 4341966 . PMID  24973948.