Британські та німецькі вчені дослідили особливості експресії генів у клітинах усього людського зародка віком близько сімнадцяти днів від запліднення. Так вони з'ясували, що у людей кровоносна система починає формуватися раніше, ніж у мишей, а нервова система утворюється пізніше, ніж вважалося. Опис та результати дослідження оприлюднені в журналі Nature.
Вигляд людського ембріона на стадії гаструляції зверху (зліва) та збоку (справа).Tyser et al. / Nature, 2021
Навіщо провели досліди над людським ембріоном?
Одним із найскладніших та найважливіших етапів внутрішньоутробного розвитку людини є гаструляція, яка відбувається на третьому тижні життя зародка. Це процес, за якого стовбурові клітини одношарового диска починають видозмінюватися в об'ємну структуру й утворюють три зародкові листки — ентодерму, мезодерму та ектодерму. Ентодерма за нормального розвитку зародка дасть початок таким органам як кишечник, печінка та підшлункова залоза; мезодерма — м'язам, кісткам та сполучній тканині; ектодерма — шкірі та нервовій системі.
Як саме відбувається гаструляція у людей, доволі маловивчений процес. Частіше за все жінки не знають, що вагітні, тому не помічають викиднів і не планують абортів на такому ранньому періоді, коли відбувається гаструляція — тобто усього через два тижні після зачаття. Тож надзвичайно рідко вдається отримати донорські людські ембріони на цьому етапі розвитку. До того ж до початку цього року ще діяли міжнародні рекомендації, які забороняють проведення дослідів на людських ембріонах, старших за 14 днів. Рішення базувалося на припущенні, що після цього періоду починають формуватися зачатки нервової системи, а значить, теоретично, зародок може щось відчувати, наприклад, біль. Через це розуміння процесів раннього розвитку людини в основному базувалося на вивченні історичних колекцій фіксованих зразків, тваринних моделей та химерних ембріонів із клітин людини та тварин. Наскільки ці результати точно відбивають реальний процес ембріогенезу — спірне питання. Та вченим із Оксфордського університету, Німецького центру досліджень гігієни довкілля та Біомедичного центру Джефрі Чеа випала рідкісна нагода дослідити людський ембріон у фазі гаструляції.
Звідки взяли ембріон і що з ним зробили?
Людський зародок вдалося дослідити завдяки рідкісному випадку, коли жінка дуже рано дізналася про вагітність. Вона вирішила зробити аборт і надала письмовий дозвіл на наступне використання ембріона для наукового вивчення. Перші дослідження вказали, що зародок розвивався нормально, був чоловічої статі і мав вік приблизно 16-19 днів від зачаття, перебуваючи на стадії гаструляції. Відтак після морфологічного вивчення науковці дослідили роботу близько чотирьох тисяч генів у 1 195 клітинах ембріона, проаналізувавши їхні РНК. На основі цього було сформовано обширну базу даних про людську гаструлу, розміщену у вільному доступі для досліджень інших науковців.
Що показало поклітинне вивчення зародка?
Вчені дійшли висновку, що загалом мишачі ембріони є хорошою моделлю для вивчення гаструляції в людини, однак існують відмінності, через які не завжди можна інтерпретувати результати на людину. Приміром, 662 гени, які є спільними в мишей та людей, на однаковому етапі розвитку ембріонів експресувалися дещо по-різному, наприклад, одні сильніше, інші слабше. Подібні результати про високу подібність і водночас відмінності отримали вчені й коли порівняли ембріони людини та макаки (ще одного виду, чиї зародки слугують моделями в дослідженнях).
У людського зародка виявили попередники статевих клітин, які на цьому етапі розвитку зазвичай наявні і в мишей, і в приматів. Але, знову ж, експресія частини генів у трьох видів відрізнялася. Неочікуваним було виявлення двох типів клітин кровоносної системи в людського зародка — еритробластів, які дають початок еритроцитам (вони навіть були вже забарвленими у червоний колір через наявність гемоглобіну), та гематоендотеліальних клітин-попередників, які згодом диференціюються в клітини крові та стінок судин. У мишей на аналогічному етапі розвитку їх ще не спостерігають, це вказує на те, що у людей формування кровоносної системи починається раніше.
Вагомим відкриттям стало й те, що у людського зародка не помітили зачатків нервової системи, що спостерігається у мишей на такому ж етапі. У клітинах навіть не зареєстрували або ж реєстрували на дуже слабкому рівні експресію генів, яка вказувала б на початок формування нервової системи та диференціації нейронів. Таким чином, попереднє занепокоєння щодо можливого відчуття болю вже 14 денним людським ембріоном необґрунтоване.
Дослідження дає змогу краще зрозуміти, як формується людина на дуже ранньому етапі розвитку, але воно має обмеження. Хоча ембріон виглядав морфологічно та генетично здоровим, поки що він єдиний, на кому було проведене подібне детальне вивчення. У нього могли проявитися індивідуальні особливості, що не дає змогу впевнено робити висновки щодо ембріонального розвитку людини загалом. А оскільки нагода вивчити інші ембріони на такому ранньому терміні дуже рідкісна, вчені вважають доцільнішим провести наступні порівняння експресії генів у клітинах зародків людей та приматів.