מודלים סלולריים של עוברים מציעים תובנות על תהליכים התפתחותיים מוקדמים

הימים המוקדמים ביותר לאחר ההפריה, ברגע שתא זרע פוגש ביצה, אפופים במסתורין מדעי.

התהליך של איך תא בודד צנוע הופך לאורגניזם מרתק מדענים על פני תחומים. עבור בעלי חיים מסוימים, כל התהליך של כפל סלולרי, יצירת תאים מתמחים והארגון שלהם לעובר רב -תאי מסודר מתרחש בסביבת המגן של הרחם, מה שהופך את התבוננות ישירה ומחקרים למאתגרים. זה מקשה על המדענים להבין מה יכול להשתבש במהלך אותו תהליך, וכיצד גורמי סיכון ספציפיים והסביבה הסובבת עשויים למנוע היווצרות עוברים.

מדענים ב- UC סנטה קרוז הצליחו להנדס מודלים סלולריים של עוברים מבלי להתנסות אף פעם עם עוברים בפועל, מה שאיפשר להם לחקות את הימים הראשונים לאחר שנפגשים שני תאי רבייה מינית. הם משתמשים בשיטות הנדסיות מבוססות CRISPR כדי להניע תאי גזע להתארגן למבנים דמויי עוברים "הניתנים לתכנות", הידועים גם בשם עוברים, בהם ניתן להשתמש כדי לחקור את תפקידם של גנים מסוימים בהתפתחות מוקדמת. מבנים אלה אינם עוברים בפועל אלא מכלולים של תאים מגדלים במעבדה המתארגנים בעצמם בדרכים המחקות כמה היבטים של שלבי התפתחות מוקדמים. תוצאותיהם מתפרסמות בכתב העת המוביל לתאי הגזע תא גזע תאו

אנו כמדענים מעוניינים לשחזר ולחזור על תופעות טבעיות, כמו היווצרות של עובר, במנה כדי לאפשר מחקרים שמאתגרים אחרת למערכות טבעיות. אנו רוצים לדעת כיצד תאים מארגנים את עצמם למודל דמוי עובר, ומה יכול להשתבש כשיש תנאים פתולוגיים שמונעים מתפתחות של חיה בהצלחה. "

עלי שריאטי, עוזר פרופסור להנדסה ביו -מולקולרית ומחבר הבכיר של המחקר

פיתוח משותף של תאים

Shariati הוא מומחה בהנדסת תאי גזע, שדה המשתמש בתאי גזע – תאים לא מומחים שיכולים ליצור כל סוג של תאים כמו מעי או תאי מוח – כדי ללמוד ולפתור בעיות ביולוגיות ובריאותיות.

פרויקט זה, בהובלת חוקר ה- UCSC לאחר הדוקטורט, גרלד לודוויק ובילומנה הנדסית ביו -מולקולרית וסטודנטית בוגרת Caltech הנוכחית סייאקה קוזוקי, השתמשו בתאי גזע עכבר שגדלים בדרך כלל במעבדה כדי להנחות אותם ליצירת אבני בניין בסיסיות של העובר.

הצוות השתמש בגרסה של טכנולוגיית CRISPR המכונה עורך Epigenome, שאינו חותך את ה- DNA אלא במקום זאת משנה כיצד הוא בא לידי ביטוי. הם מיקדו אזורים בגנום הידועים כמעורבים בהתפתחות של עובר מוקדם. זה איפשר להם לשלוט באילו גנים הופעלו, ולגרום ליצירת סוגים עיקריים של תאים הדרושים להתפתחות מוקדמת.

"אנו משתמשים בתאי הגזע, שהם כמו בד ריק, ומשתמשים בהם כדי לגרום לסוגי תאים שונים באמצעות כלי ה- CRISPR שלנו", אמר Lodewijik.

לשיטה זו היה היתרון בכך שהוא מאפשר לסוגי תאים שונים "להתפתח משותף", אשר דומה יותר להיווצרות העובר הטבעי מאשר הגישות הכימיות מדענים אחרים השתמשו בפיתוח סוגי תאים שונים.

"התאים האלה התפתחו יחד, בדיוק כמו שהם היו עושים בעובר בפועל, ומבססים את ההיסטוריה של להיות שכנים", אמר שריאטי. "איננו משנים את הגנום שלהם או חושפים אותם למולקולות איתות ספציפיות, אלא מפעילים את הגנים הקיימים."

הצוות מצא כי 80% מתאי הגזע מתארגנים למבנה המחקה את הצורה הבסיסית ביותר של עובר לאחר מספר ימים, ורובם עוברים הפעלת גנים המשקפת את תהליך ההתפתחות המתרחש באורגניזמים חיים.

"הדמיון מדהים באופן בו התאים מתארגנים, כמו גם את ההרכב המולקולרי", אמר שריאטי. "(התאים דורשים) מעט מאוד קלט מאיתנו – זה כאילו התאים כבר יודעים מה לעשות, ואנחנו פשוט נותנים להם קצת הדרכה."

החוקרים הבחינו כי התאים הראו התנהגות קולקטיבית בתנועה ובארגון יחד.

"חלקם מתחילים לעשות את הגירה הסיבובית הזו, כמעט כמו ההתנהגות הקולקטיבית של ציפורים או מינים אחרים", אמר שריאטי. "דרך התנהגות קולקטיבית זו והגירה הם יכולים ליצור את התבניות העובריות המרתקות הללו."

דגמים "ניתנים לתכנות"

קיום מודל בסיסי מדויק המשקף את העובר המוקדם של אורגניזמים חי יכול לאפשר למדענים ללמוד טוב יותר וללמוד כיצד לטפל בהפרעות או מוטציות התפתחותיות.

"לדגמים אלה יש ייצוג מלא יותר של המתרחש בשלבים מוקדמים של פיתוח, ויכולים לתפוס את הרקע", אמר Lodewijik.

תכנות ה- CRISPR לא רק מאפשרת למדענים להפעיל את הגנים בתחילת תהליך הניסוי, אלא גם מאפשרת להם להפעיל או לשנות גנים החשובים לחלקים אחרים של התפתחות. זה מאפשר לדגמי העובר להיות "ניתנים לתכנות", כלומר הם יכולים להיות מושפעים יחסית לרמת שליטה גבוהה כדי למקד ולבדוק את ההשפעה של גנים מרובים כאשר מודל העובר מתפתח, ומאיר שיש להם השפעות מזיקות כאשר הוא מופעל או כבה.

כדוגמה, החוקרים הדגימו כיצד רקמות מסוימות נוצרות או מונעות במהלך ההתפתחות המוקדמת, אך ניתן להשתמש בשיטותיהם כדי לחקור מגוון רחב של גנים והשפעותיהם המפלגות על סוגי התאים.

"אני חושב שזו העבודה החלוצית של המחקר הזה – התכנות ושאנחנו לא מסתמכים על גורמים חיצוניים כדי לעשות זאת, אלא יש הרבה שליטה בתא," אמר שריאטי.

החוקרים מעוניינים כיצד ניתן להשתמש בגישה זו לחקר מינים אחרים, ומאפשרים מבט לתצורת העובר שלהם מבלי להשתמש בעוברים שלהם בפועל.

מחקר זה יכול לאפשר חקר צווארי הבקבוק המובילים את הרבייה להיכשל בשלבים מוקדמים. בקרב יונקים, לבני אדם יש אתגרי רבייה רבים יותר בכך שעוברים אנושיים לרוב אינם מצליחים להשתיל או לבסס את הצורה הארגונית המוקדמת הנכונה. ההבנה מדוע זה המצב עשויה לעזור להתקדם לקראת שיפור הפוריות האנושית.