Naukowcy z EPFL i Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) uzyskali nowe informacje na temat mechanizmu regulującego wczesny etap rozwoju embrionów myszy. Zamiast korzystać z modelu zwierzęcego, zespół przeprowadził badania na pseudoembrionach wyhodowanych w laboratorium z komórek macierzystych.

Zamknięte sprawy to nie tylko domena kryminologii. Również w nauce istnieją nierozwiązane tajemnice zamknięte w szufladzie, czekające na nowe dowody. I tak jak pojawienie się odcisków palców DNA pomogło rozwiązać stare sprawy karne, tak nowe modele komórkowe dają naukowcom narzędzia do ponownego zbadania pytań badawczych, na które nie można było odpowiedzieć za pomocą samych modeli zwierzęcych.

Prof. Denis Duboule — który prowadzi Laboratorium Genomiki Rozwojowej EPFL i jest także profesorem The Collège France w Paryżu — wie co nieco na ten temat. Przez ponad 30 lat badał genom myszy w celu zrozumienia podstawowych mechanizmów regulujących rozwój ssaków. Jest niesamowicie podekscytowany możliwościami, jakie dają „pseudo-embriony”, znane również jako embrioidy.

Ponieważ te modele komórek, hodowane in vitro z komórek macierzystych, mają strukturę i rozwijają się w sposób podobny do embrionów, są one niezwykle obiecujące dla pogłębienia naszej wiedzy na temat embriogenezy, czyli procesu rozwoju embrionalnego. 15 czerwca zespół z laboratorium Duboule opublikował artykuł w Genetyka przyrody. Przedstawiono w nim wyniki pierwszego w karierze Duboule badania przeprowadzonego bez użycia modelu zwierzęcego.

Wewnętrzny zegar regulujący rozwój zarodka

Wczesny zarodek ssaka rozwija się wzdłuż osi przednio-tylnej: głowa rozwija się najpierw, a następnie reszta ciała w „etapach”, przesuwając się wzdłuż osi w kierunku ogona. U ludzi nowy etap rozwija się co pięć godzin; u myszy czas ten skraca się do 90 minut. Naukowcy z laboratorium Duboule od dawna starali się zrozumieć, w jaki sposób geny architekta Hox – które nadają tożsamość każdemu z tych etapów (takich jak kręg szyjny lub rodzący się ogon u myszy) – są aktywowane zgodnie z precyzyjnym harmonogramem za pośrednictwem wewnętrznego zegara.

„Zawsze zastanawialiśmy się, w jaki sposób mechanizm, który narzuca tego rodzaju system czasowy na liniowe nici DNA, mógł ewoluować naturalnie” – mówi Duboule. „Działa jak tranzystor, który u myszy emituje sygnał co 90 minut. Spędziliśmy 25 lat próbując zrozumieć to zjawisko za pomocą modeli zwierzęcych”.

Problem polega na tym, że mechanizm ten zaczyna działać po zagnieżdżeniu się zarodka w ścianie macicy, co szczególnie utrudnia naukowcom obserwację. „Na tym etapie zarodek jest tak mały, że nie możemy jeszcze zlokalizować go w macicy” – dodaje Duboule. „Nigdy tak naprawdę nie znaleźliśmy jednolitego materiału, w którym moglibyśmy obserwować, co się dzieje”.

Wszystko zmieniło się dziesięć lat temu wraz z pojawieniem się embrioidów – struktur komórkowych, które nie mają cech niezbędnych do rozwinięcia się w pełni rozwinięte żywe organizmy. Hocine Rekaik, naukowiec z laboratorium Duboule’a i główny autor artykułu opublikowanego w zeszłym tygodniu, wziął embrioidy i wzbogacił je, aby uzyskać część struktury, która wytwarza te „stadia”. W rezultacie powstał uproszczony, ale bardzo realistyczny model komórki.

Duboule wyjaśnia: „W segmencie DNA białko CTCF działa jak swego rodzaju bloker, opóźniając ekspresję znajdującego się za nim genu Hox. Ciśnienie wyzwalające sygnał aktywacji pochodzi od kohezyny, kompleksu białkowego. Hocine opracował animacje, w których mógł zobaczyć ten proces zachodzący w chromatynie (strukturze zawierającej DNA) – coś w dużej mierze niemożliwego w przypadku prawdziwego zarodka, ponieważ system staje się coraz bardziej złożony i chaotyczny z upływem czasu.Jednak komórki w tych zarodkach są silnie skoncentrowane w tylnej części, czyniąc wszystko bardziej jednolitym. Oznacza to, że możemy obserwować mechanizm w trakcie jego działania”.

Obiecujące nowe metody

Duboule jest szczególnie zadowolony z nowego modelu opracowanego przez jego zespół – nie tylko ze względu na obietnicę, jaką niesie ze sobą dla przyszłych badań, ale także dlatego, że jest stosunkowo szybki i łatwy w użyciu, a także dlatego, że jest tańszy niż równoważne modele zwierzęce. Odczuwa również ulgę, że znalazł prawdziwą alternatywę dla myszy.

„W moim laboratorium wykorzystaliśmy wiele zwierząt, więc bardzo się cieszę, że pojawiają się alternatywne modele, gdy zbliżam się do końca mojej kariery” – mówi. „Nie sądzę, abyśmy byli jeszcze na etapie, w którym możemy całkowicie zrezygnować ze zwierząt w czystych badaniach, ale w niektórych obszarach na pierwszy plan wysuwają się obiecujące nowe metody. Wchodzimy w nową erę, w której możemy produkować in vitro modele biologiczne, które są tak realistyczne, że w niektórych przypadkach niekoniecznie będziemy musieli uciekać się do wykorzystywania zwierząt. Myślę, że w perspektywie średnioterminowej będziemy świadkami wielu czystych badań bez modeli zwierzęcych”.

W EPFL grupy badawcze coraz częściej stosują tak zwane metody alternatywne, takie jak organoidy — wielokomórkowe mikrotkanki wyhodowane z komórek macierzystych, które imitują strukturę i funkcję niektórych narządów ludzkich. Metody te rewolucjonizują badania podstawowe, których celem jest zbudowanie precyzyjnego obrazu funkcjonowania poszczególnych mechanizmów. Ale są mniej przydatne w badaniach nad rozwojem leków, gdzie naukowcy starają się zrozumieć, w jaki sposób cząsteczka wpływa na dany system. W takich przypadkach modele zwierzęce nadal mają do odegrania nieodzowną rolę.