Подчиняясь внешним молекулярным сигналам, группа мышиных стволовых клеток «осознала» себя зародышем, у которого есть перед, зад, спина, живот, а также зачатки сердца и мозга.

Тринадцатидневный мышиный эмбрион со специально окрашенным сердцем и скелетными мышцами. (Фото: Dunk / Flickr.com) Открыть в полном размере
Оплодотворённая яйцеклетка начинает делиться, и вскоре вместо одной большой клетки получается шарообразное скопление множества мелких. Это эмбриональные стволовые клетки – они продолжают делиться и делиться, на клеточном шаре появляются вогнутости и выгнутости, он меняет форму и постепенно приобретает форму зародыша – у него появляется перед и зад, верх и низ. А стволовые клетки постепенно приобретают некоторую специализацию: в зависимости от того, где находится группа клеток, сзади или спереди, на спинной или на брюшной стороне эмбриона, из них начнут формироваться те или иные органы.

Как получается, что поначалу неотличимые друг от друга эмбриональные стволовые клетки, из которых могло получиться буквально что угодно, вдруг становятся специализированными? Почему у эмбриона вообще появляется передний конец и задний, спинная и брюшная сторона? Здесь всё дело в особых белках, которые называются морфогенами. Они играют роль молекулярных сигналов, управляя активностью различных генов. Морфогеновый сигнал зависит от того, в какой концентрации морфоген находится в конкретной точке зародыша. Белки-морфогены синтезируются не во всех клетках зародыша, а только на том или ином полюсе. Из этого полюса они постепенно расплываются по всему зародышу, но, как можно понять, чем дальше от места синтеза, тем концентрация морфогена будет меньше.

Получается градиент концентрации, когда количество сигнального белка медленно изменяется в каком-то направлении. И вот благодаря такому градиенту концентрации у зародыша появляется план тела: например, там, где какого-то морфогена (или нескольких морфогенов) окажется много, там будет голова, а там, где его меньше всего, будет хвост. А другой белок-морфоген, чей синтез включается на другом полюсе эмбриона, точно так же поможет сформировать спину и брюхо.

Эмбриональные стволовые клетки давно выращиваются в лабораториях по всему миру – они живут в питательных средах в специальных сосудах и всё время делятся. Можно ли взять кучку таких клеток и искусственно сорганизовать их в эмбрион с помощью белков-морфогенов? Несколько лет назад сотрудники Виргинского университета проделали это для клеток рыбы. В новой статье, которую исследователи опубликовали в Nature Communications, они описывают, как точно таким же образом получили эмбрион мыши. План тела у звериных эмбрионов на самых ранних этапах развития создают три сигнальных белка: за продольную линию отвечают Nodal и Wnt, за отличия между спинной и брюшной стороной отвечает BMP4. На скопление эмбриональных зародышевых клеток мыши, которые ничем не отличались друг от друга, сажали в нужные места другие клетки, которые синтезировали морфогены Nodal, Wnt и BMP4.

И из скопления эмбриональных клеток начал формироваться зародыш: в нём появилась сеть сосудов, появился зачаток сердца, который сокращался, и зачатки мозговых структур. Ещё раз подчеркнём, что эмбрион в данном случае получили не из оплодотворённой яйцеклетки, а из группы стволовых клеток, которые с помощью молекулярных сигналов вдруг «осознали» себя зародышем. Похожие эксперименты проделывали на материале млекопитающих и раньше, однако, по словам авторов работы, до сих пор таким способом не удавалось довести развитие зародыша настолько далеко, как это получилось у них.

Строго говоря, то, что получилось, лучше называть не эмбрионом, а эмбриоидом – по аналогии с органоидами, микроскопическими подобиями кишечника, мозга почки и т. д. Органоиды точно так же создают из стволовых клеток, направляя их развитие в сторону нужного органа. И органоиды, и эмбриоид образуются не вполне естественным путём, тем не менее, на них вполне можно изучать как общие законы развития эмбриона и отдельных органов, так и влияние тех или иных токсинов или лекарств. Эмбриоид в этом смысле даже предпочтительнее: органы, которые в нём образуются, связаны друг с другом, влияют друг на друга, обмениваются сигналами и т. д., в отличие от отдельных органоидов, которые растут и существуют в питательной среде отдельно от всего.