Гаструляцию человека можно смоделировать на стволовых клетках без трансгенов

Перигаструляционный период — ключевая фаза эмбрионального развития млекопитающих, в ходе которой однородная популяция плюрипотентных клеток эпибласта самоорганизуется в трехслойный эмбриональный диск. На этом этапе формируется план строения организма и закладывается основа для последующего органогенеза. Он является критической стадией и в человеческом эмбриогенезе, однако прямые исследования перигаструляции у человека затруднены как с технической, так и с этической точки зрения. Авторы публикации в Nature Cell Biology создали модельную систему, полученную исключительно из человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSC). Она не требует внесения трансгенов и воспроизводит ключевые особенности гаструляции у человека. 

Модель обозначили как перигаструляционный эмбриоид с трехслойным эмбриональным диском (PTED). Уже известно, что решающую роль в запуске гаструляции играет сигнальный каскад, в котором костный морфогенный белок (BMP) активирует WNT, а затем NODAL в эпибласте, поэтому для получения PTED ученые обработали hPSC экзогенным BMP4. Сначала hPSC высевали на круглые адгезивные островки диаметром 800 мкм, нанесенные на стекло методом микроконтактной печати. Их культивировалив течение двух дней, а затем добавляли BPM4, чтобы индуцировать дифференцировку — день его внесения обозначили как день 0. 

Иммуноокрашивание на маркеры зародышевых слоев (SOX2, OCT4 и NANOG для эктодермы; BRA для мезодермы; FOXA2 для эндодермы) в эмбриоидах на 8-й день культивирования выявило трехслойную структуру вдоль дорсовентральной оси. Она содержала эктодермальный, мезодермальный и эндодермальный слои. 
Клетки ненейральной эктодермы (TFAP2A⁺)  и клетки эндодермы (FOXA2⁺)  выстилали две противоположные полости, тогда как большинство клеток в центральной области сохраняли экспрессию SOX2. Клетки FOXA2⁺SOX17⁺, расположенные в центральной области эмбриоида, не экспрессировали HNF4A и не выстилали никаких полостей, что соответствует идентичности эмбриональной эндодермы. Мезодермальные клетки экспрессировали канонические маркеры мезодермы N-кадгерин (N-CAD), FOXF1 и SNAIL; они сформировали две популяции — в центральной «эмбриональной» области PTED и вокруг структуры, похожей на желточный мешок. 

Анализ траекторий отдельных линий показал, что эмбриональная и внеэмбриональная мезодерма (ExM), а также эмбриональная и внеэмбриональная эндодерма (EmEndo и ExEndo) возникают из гаструлирующих клеток (они отличались высокой экспрессией маркера Brachyury). 

Затем авторы секвенировали РНК единичных клеток восьмидневных PTED и сравнили полученные данные с транскриптомными профилями 20-дневных эмбрионов человека и макака-крабоеда. Клеточные кластеры эмбриоидов PTED имели транскриптом, схожий с транскриптомом их in vivo аналогов. Исключением стали нейроэктодермальная популяция, присутствовавшая только в PTED, а также аксиальная мезодерма (AxM, присутствующая в гаструле человека) и кровяные клетки (наблюдаемые в гаструлах человека и обезьян) — они отсутствовали в искусственных эмбриоидах. 

Однако признаки первичного гемопоэза ученые все же обнаружили. Он обусловлен сложными взаимодействиями между линиями ExEndo и ExM в желточном мешке, которые приводят к образованию кроветворных островков. Чтобы изучить этот процесс в PTED, авторы стимулировали дифференцировку эндодермы, обработав их активином А. Пространственную организацию и дифференцировку при таком ускоренном созревании эндодермы ученые охарактеризовали с помощью иммуноокрашивания. На шестой день культивирования PTED среди клеток эндодермы или под ними появлялись CD34⁺ гемопоэтические эндотелиальные предшественники (HEP). Архитектура ткани PTED с островками сохранялась с течением времени, а гемопоэтические участки непрерывно расширялись и продуцировали кровяные клетки. 

Таким образом, PTED не требуют генетических модификаций и формируются преимущественно за счет спонтанной дифференцировки и самоорганизации. Их сложная структура похожа на устройство гаструлы in vivo, хотя и не содержит некоторых клеточных линий, присущих гаструле человека. Тем не менее, трехслойный перигаструляционный эмбриоид PTED может стать удобной и этичной моделью для изучения этого периода развития у человека. 

Модель человеческого эмбриона возрастом две недели получена из стволовых клеток