Підкоряючись зовнішнім молекулярним сигналам, група мишачих стовбурових клітин «усвідомила» себе зародком, у якого є перед, зад, спина, живіт, а також зачатки серця і мозку.
Запліднена яйцеклітина починає ділитися, і незабаром замість однієї великої клітини виходить шароподібне скупчення безлічі дрібних. Це ембріональні стовбурові клітини - вони продовжують ділитися і ділитися, на клітинній кулі з'являються увагнутості і вигнутості, він змінює форму і поступово набуває форми зародку - у нього з'являється перед і зад, верх і низ. А стовбурові клітини поступово набувають деяку спеціалізацію: залежно від того, де знаходиться група клітин, ззаду або спереду, на спинній або на черевній стороні ембріона, з них почнуть формуватися ті чи інші органи.
Як виходить, що спочатку невідличні один від одного ембріональні стовбурові клітини, з яких могло вийти буквально що завгодно, раптом стають спеціалізованими? Чому у ембріона взагалі з'являється передній кінець і задній, спинна і черевна сторона? Тут вся справа в особливих білках, які називаються морфогенами. Вони відіграють роль молекулярних сигналів, керуючи активністю різних генів. Морфогеновий сигнал залежить від того, в якій концентрації морфоген знаходиться в конкретній точці зародку. Білки-морфогени синтезуються не у всіх клітинах зародка, а тільки на тому чи іншому полюсі. З цього полюса вони поступово розпливаються по всьому зародку, але, як можна зрозуміти, чим далі від місця синтезу, тим концентрація морфогену буде меншою.
Виходить градієнт концентрації, коли кількість сигнального білка повільно змінюється в якомусь напрямку. І ось завдяки такому градієнту концентрації у зародка з'являється план тіла: наприклад, там, де якогось морфогена (або кількох морфогенів) виявиться багато, там буде голова, а там, де його найменше, буде хвіст. А інший білок-морфоген, чий синтез включається на іншому полюсі ембріона, точно так само допоможе сформувати спину і черево.
Ембріональні стовбурові клітини давно вирощуються в лабораторіях по всьому світу - вони живуть у поживних середовищах у спеціальних судинах і весь час діляться. Чи можна взяти купку таких клітин і штучно зорганізувати їх в ембріон за допомогою білків-морфогенів? Кілька років тому співробітники Віргінського університету виконали це для клітин риби. У новій статті, яку дослідники опублікували в Nature Communications, вони описують, як точно таким же чином отримали ембріон миші. План тіла у звіриних ембріонів на найбільш ранніх етапах розвитку створюють три сигнальних білки: за поздовжню лінію відповідають Nodal і Wnt, за відмінності між спинною і черевною стороною відповідає BMP4. На скупчення ембріональних зародкових клітин миші, які нічим не відрізнялися один від одного, садили в потрібні місця інші клітини, які синтезували морфогени Nodal, Wnt і BMP4.
І зі скупчення ембріональних клітин почав формуватися зародок: у ньому з'явилася мережа судин, з'явився зачаток серця, який скорочувався, і зачатки мозкових структур. Ще раз підкреслимо, що ембріон в даному випадку отримали не з заплідненої яйцеклітини, а з групи стовбурових клітин, які за допомогою молекулярних сигналів раптом «усвідомили» себе зародком. Схожі експерименти виконували на матеріалі ссавців і раніше, однак, за словами авторів роботи, досі таким способом не вдавалося довести розвиток зародку настільки далеко, як це вийшло у них.
Строго кажучи, те, що вийшло, краще називати не ембріоном, а ембріоїдом - за аналогією з органоїдами, мікроскопічними подобами кишечника, мозку нирки тощо. Органоїди так само створюють зі стовбурових клітин, спрямовуючи їх розвиток у бік потрібного органу. І органоїди, і ембріоїд утворюються не цілком природним шляхом, тим не менш, на них цілком можна вивчати як загальні закони розвитку ембріона і окремих органів, так і вплив тих чи інших токсинів або ліків. Ембріоїд у цьому сенсі навіть краще: органи, які в ньому утворюються, пов'язані один з одним, впливають один на одного, обмінюються сигналами і т. д., на відміну від окремих органоїдів, які ростуть і існують в живильному середовищі окремо від усього.
За матеріалами The Scientist