Forskning undersøger, hvordan beslutninger om embryonal udvikling styres af flere veje samtidigt

Et forskerhold fra Rice University ledet af Aryeh Warmflash har gjort fremskridt med at forstå de processer, der styrer menneskets embryonale udvikling. Gruppens resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Cells Systems 15. maj.

Embryonal udvikling, rejsen fra et enkelt befrugtet æg til en kompleks organisme, er orkestreret af komplekse interaktioner mellem biokemiske signaler. Men mekanismerne bag, hvordan cellerne fortolker disse signaler for at træffe afgørende udviklingsbeslutninger, er forblevet uhåndgribelige.

"Vores papir adresserer et grundlæggende spørgsmål:Hvordan styres disse beslutninger af flere veje samtidigt?" sagde Warmflash, lektor i biovidenskab og bioteknik.

Holdet omfatter postdoktoral forskningsassistent og nuværende gruppeleder ved Andalusian Center for Developmental Biology Elena Camacho-Aguilar; Sumin Yoon, senior med speciale i kulturel/medicinsk antropologi; ph.d.-studerende Miguel A. Ortiz-Salazar og Siqi Du; og laborant M. Cecilia Guerra. Sammen fokuserede de deres undersøgelse på menneskelig gastrulation, et afgørende stadium, hvor celler differentieres til de tre kimlag af embryonet:ektoderm, mesoderm og endoderm.

Mens tidligere forskning identificerede involvering af adskillige signaler såsom knoglemorfogenetisk protein (BMP) og vingeløst-relateret integrationssted (WNT) under gastrulation, forblev de præcise mekanismer, der ligger til grund for, hvordan celler fortolker dem til at udvikle sig til forskellige celletyper, uklare.

For at finde et svar henvendte forskerne sig til humane pluripotente stamceller (hPSC'er), som efterligner cellernes tilstand lige før gastrulation. De antog, at varigheden og koncentrationen af ​​BMP-signaler kunne diktere celleskæbne og udtænkte eksperimenter, der udsatte hPSC'er for forskellige BMP-signalsystemer.

I modsætning til tidligere antagelser afslørede undersøgelsen, at varigheden af ​​BMP-signaleksponering, snarere end dens styrke, spiller en afgørende rolle i at bestemme celleskæbne. Pulslignende eksponeringer for høje BMP-koncentrationer medførte betydelige ændringer, især mod mesoderm, hvorimod kontinuerlige lavniveausignaler gav mindre udtalte resultater.

Matematisk modellering af disse processer gjorde det muligt for forskerne at forudsige skæbneudfaldene for enhver kombination af BMP- og WNT-signaler. Holdet konstruerede et omfattende "skæbnekort", der forudsiger disse resultater. Ved at udnytte dette kort udtænkte forskerne en ny protokol, der optimerer mesodermdannelse, der er relevant for andre områder, såsom regenerativ medicin.

"Vores resultater understreger vigtigheden af ​​at forstå signaleringsdynamikken i retning af celleskæbnebeslutninger," sagde Camacho-Aguilar. "Ved at dechifrere disse mekanismer kan vi skræddersy effektive differentieringsprotokoller, der kunne være relevante for terapeutiske anvendelser."

Flere oplysninger: Elena Camacho-Aguilar et al., Kombinatorisk fortolkning af BMP og WNT styrer beslutningen mellem primitive streak og ekstraembryonale skæbner, Cell Systems (2024). DOI:10.1016/j.cels.2024.04.001

Journaloplysninger: Cellesystemer

Leveret af Rice University