Een onderzoeksteam van Rice University onder leiding van Aryeh Warmflash heeft vooruitgang geboekt in het begrijpen van de processen die de menselijke embryonale ontwikkeling sturen. De bevindingen van de groep werden gepubliceerd in het tijdschrift Cells Systems 15 mei.

De embryonale ontwikkeling, de reis van een enkele bevruchte eicel naar een complex organisme, wordt georkestreerd door complexe interacties tussen biochemische signalen. Maar de mechanismen achter de manier waarop de cellen deze signalen interpreteren om cruciale ontwikkelingsbeslissingen te nemen, zijn ongrijpbaar gebleven.

"Ons artikel behandelt een fundamentele vraag:hoe worden deze beslissingen tegelijkertijd door meerdere paden gecontroleerd?" zegt Warmflash, universitair hoofddocent biowetenschappen en bio-engineering.

Het team bestaat uit een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en huidige groepsleider bij het Andalusische Centrum voor Ontwikkelingsbiologie Elena Camacho-Aguilar; Sumin Yoon, een senior hoofdvak in culturele/medische antropologie; promovendi Miguel A. Ortiz-Salazar en Siqi Du; en laboratoriumtechnicus M. Cecilia Guerra. Samen concentreerden ze hun onderzoek op menselijke gastrulatie, een cruciale fase waarin cellen differentiëren in de drie kiemlagen van het embryo:ectoderm, mesoderm en endoderm.

Hoewel eerder onderzoek de betrokkenheid van verschillende signalen, zoals botmorfogenetisch eiwit (BMP) en vleugelloze-gerelateerde integratiesites (WNT), tijdens gastrulatie heeft geïdentificeerd, bleven de precieze mechanismen die ten grondslag liggen aan hoe cellen deze interpreteren om zich te ontwikkelen tot verschillende celtypen onduidelijk.

Om een ​​antwoord te vinden, wendden de onderzoekers zich tot menselijke pluripotente stamcellen (hPSC's), die de toestand van cellen nabootsen vlak vóór gastrulatie. Ze veronderstelden dat de duur en concentratie van BMP-signalen het lot van de cel zouden kunnen bepalen en bedachten experimenten waarbij hPSC's werden blootgesteld aan gevarieerde BMP-signaalsystemen.

In tegenstelling tot eerdere aannames onthulde de studie dat de duur van de blootstelling aan het BMP-signaal, en niet de sterkte ervan, een cruciale rol speelt bij het bepalen van het lot van de cel. Pulsachtige blootstelling aan hoge BMP-concentraties veroorzaakte significante veranderingen, vooral in de richting van het mesoderm, terwijl continue signalen op laag niveau minder uitgesproken resultaten opleverden.

Wiskundige modellering van deze processen stelde de onderzoekers in staat de lotresultaten voor elke combinatie van BMP- en WNT-signalen te voorspellen. Het team heeft een uitgebreide ‘lotkaart’ samengesteld die deze uitkomsten voorspelt. Met behulp van deze kaart hebben de onderzoekers een nieuw protocol ontwikkeld dat de vorming van mesoderm optimaliseert, relevant voor andere gebieden, zoals de regeneratieve geneeskunde.

"Onze bevindingen onderstrepen het belang van het begrijpen van de signaaldynamiek bij het begeleiden van beslissingen over het lot van cellen", aldus Camacho-Aguilar. "Door deze mechanismen te ontcijferen, kunnen we efficiënte differentiatieprotocollen op maat maken die relevant kunnen zijn voor therapeutische toepassingen."

Meer informatie: Elena Camacho-Aguilar et al., Combinatorische interpretatie van BMP en WNT controleert de beslissing tussen primitieve streak en extra-embryonale lotgevallen, Celsystemen (2024). DOI:10.1016/j.cels.2024.04.001

Journaalinformatie: Celsystemen

Aangeboden door Rice University