En forskargrupp från Rice University ledd av Aryeh Warmflash har gjort framsteg i att förstå de processer som styr mänskliga embryonala utveckling. Gruppens resultat publicerades i tidskriften Cells Systems 15 maj.
Embryonal utveckling, resan från ett enda befruktat ägg till en komplex organism, orkestreras av komplexa interaktioner mellan biokemiska signaler. Men mekanismerna bakom hur cellerna tolkar dessa signaler för att fatta avgörande utvecklingsbeslut har förblivit svårfångade.
"Vårt papper tar upp en grundläggande fråga:Hur styrs dessa beslut av flera vägar samtidigt?" sa Warmflash, docent i biovetenskap och bioteknik.
Teamet inkluderar postdoktoral forskarassistent och nuvarande gruppledare vid Andalusian Center for Developmental Biology Elena Camacho-Aguilar; Sumin Yoon, senior med huvudämne i kulturell/medicinsk antropologi; doktoranderna Miguel A. Ortiz-Salazar och Siqi Du; och laboratorietekniker M. Cecilia Guerra. Tillsammans fokuserade de sin studie på mänsklig gastrulation, ett centralt stadium där celler differentierar till embryots tre könslager:ektoderm, mesoderm och endoderm.
Medan tidigare forskning identifierade involveringen av flera signaler såsom benmorfogenetiskt protein (BMP) och wingless-related integration site (WNT) under gastrulation, förblev de exakta mekanismerna bakom hur celler tolkar dem för att utvecklas till olika celltyper oklara.
För att hitta ett svar vände sig forskarna till mänskliga pluripotenta stamceller (hPSCs), som efterliknar tillståndet hos cellerna strax före gastrulation. De antog att varaktigheten och koncentrationen av BMP-signaler kan diktera cellöden och utarbetade experiment som exponerade hPSCs för olika BMP-signalsystem.
I motsats till tidigare antaganden visade studien att varaktigheten av BMP-signalexponering, snarare än dess styrka, spelar en avgörande roll för att bestämma cellöde. Pulsliknande exponeringar för höga BMP-koncentrationer ledde till betydande förändringar, särskilt mot mesoderm, medan kontinuerliga lågnivåsignaler gav mindre uttalade resultat.
Matematisk modellering av dessa processer gjorde det möjligt för forskarna att förutsäga ödets utfall för vilken kombination av BMP- och WNT-signaler som helst. Teamet konstruerade en omfattande "ödeskarta" som förutsäger dessa resultat. Med hjälp av denna karta utvecklade forskarna ett nytt protokoll som optimerar mesodermbildning som är relevant för andra områden som regenerativ medicin.
"Våra resultat understryker vikten av att förstå signaleringsdynamiken för att styra cellödebeslut," sa Camacho-Aguilar. "Genom att dechiffrera dessa mekanismer kan vi skräddarsy effektiva differentieringsprotokoll som kan vara relevanta för terapeutiska tillämpningar."
Mer information: Elena Camacho-Aguilar et al, Kombinatorisk tolkning av BMP och WNT styr beslutet mellan primitiva streak och extraembryonala öden, Cell Systems (2024). DOI:10.1016/j.cels.2024.04.001
Journalinformation: Cellsystem
Tillhandahålls av Rice University
