Эмбриомика

Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют соответствующие встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, введя более точные цитаты. ( Декабрь 2012 ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Эмбриомика — это идентификация, характеристика и изучение различных типов клеток, которые возникают в процессе эмбриогенеза , особенно в том, что касается местоположения и истории развития клеток в эмбрионе. Тип клетки может быть определен по нескольким критериям: местоположение в развивающемся эмбрионе , экспрессия генов , как указано маркерами белков и нуклеиновых кислот и поверхностными антигенами , а также положение на эмбриогенном дереве.

Существует множество клеточных маркеров, полезных для различения, классификации, разделения и очистки многочисленных типов клеток, присутствующих в любой момент времени в развивающемся организме. Эти клеточные маркеры состоят из выбранных РНК и белков, присутствующих внутри, и поверхностных антигенов, присутствующих на поверхности клеток, составляющих эмбрион. Для любого заданного типа клеток эти РНК и белковые маркеры отражают гены, характерно активные в этом типе клеток. Каталог всех этих типов клеток и их характерных маркеров известен как эмбрион организма . ^{[ требуется цитата ]} Это слово является портманто от эмбриона и генома . «Эмбриом» может также относиться к совокупности самих физических клеточных маркеров.

По мере того, как эмбрион развивается из оплодотворенной яйцеклетки, одна яйцеклетка разделяется на множество клеток, которые увеличиваются в числе и мигрируют в соответствующие места внутри эмбриона в соответствующие моменты развития. По мере того, как клетки эмбриона увеличиваются в числе и мигрируют, они также дифференцируются во все большее число различных типов клеток, в конечном итоге превращаясь в стабильные, специализированные типы клеток, характерные для взрослого организма. Каждая из клеток эмбриона содержит один и тот же геном , характерный для вида, ^[1], но уровень активности каждого из многих тысяч генов , составляющих полный геном, варьируется в зависимости от типа конкретной клетки и определяет его (например, нейрон, костная клетка, клетка кожи, мышечная клетка и т. д.).

Во время развития эмбриона (эмбриогенеза) присутствуют многие типы клеток, которых нет во взрослом организме. Эти временные клетки называются клетками-предшественниками и являются промежуточными типами клеток, которые исчезают во время эмбриогенеза, превращаясь в другие клетки-предшественники или в зрелые взрослые соматические типы клеток, или которые исчезают из-за запрограммированной гибели клеток ( апоптоза ).

Весь процесс эмбриогенеза можно описать с помощью двух карт: карты эмбриона — временной последовательности трехмерных изображений развивающегося эмбриона, показывающей расположение клеток многих типов клеток, присутствующих в эмбрионе в данный момент времени, и эмбриогенетического дерева — диаграммы, показывающей, как типы клеток происходят друг от друга в процессе эмбриогенеза.

Карта эмбриона представляет собой последовательность трехмерных изображений или срезов трехмерных изображений развивающегося эмбриона, которые при быстром просмотре во временном порядке формируют покадровую съемку растущего эмбриона.

Эмбриогенное дерево — это диаграмма, которая показывает временное развитие каждой из клеточных линий в эмбрионе. Нарисованная на листе бумаги, эта диаграмма принимает форму дерева, аналогичного эволюционному дереву жизни , которое иллюстрирует развитие жизни на Земле. Однако вместо того, чтобы каждая ветвь на этом дереве представляла вид, как в дереве жизни, каждая ветвь представляет определенный тип клеток, присутствующих в эмбрионе в определенное время. И, конечно же, эмбриогенное дерево охватывает период беременности в недели или месяцы, а не миллиарды лет, как в случае эволюционного дерева жизни.

Эмбриогенез человека является здесь референтом, но эмбриогенез у других видов позвоночных тесно следует той же схеме. Яйцеклетка (овум) после оплодотворения сперматозоидом становится зиготой, представленной стволом в самом низу дерева. Эта единственная клетка зиготы делится надвое, три раза, образуя сначала кластер из двух клеток, затем из четырех клеток и, наконец, из восьми клеток. Еще одно деление клеток доводит количество клеток до 16, и в этот момент она называется морулой, а не зиготой. Затем этот шар из 16 клеток реорганизуется в полую сферу, называемую бластоцистой. По мере того, как количество клеток увеличивается с 16 до 40–150, бластоциста дифференцируется на два слоя: внешнюю сферу клеток, называемую трофобластом , и внутреннюю клеточную массу, называемую эмбриобластом.

Сферический наружный слой клеток (трофобласт) после имплантации в стенку матки далее дифференцируется и растет, образуя плаценту .

Клетки внутренней клеточной массы (эмбриобласт), которые известны как человеческие эмбриональные стволовые клетки (hESCs), будут далее дифференцироваться, образуя четыре структуры: амнион , желточный мешок , аллантоис и сам эмбрион. Человеческие эмбриональные стволовые клетки являются плюрипотентными, то есть они могут дифференцироваться в любой из типов клеток, присутствующих у взрослого человека, и в любой из промежуточных типов клеток-предшественников, которые в конечном итоге превращаются в линии взрослых клеток. hESCs также бессмертны, в том смысле, что они могут делиться и расти в количестве неограниченно долго, не подвергаясь ни дифференциации, ни клеточному старению (клеточному старению).

Первая дифференциация эмбриональных стволовых клеток человека, которые формируют эмбрион, происходит в три типа клеток, известных как зародышевые листки: эктодерма , мезодерма и энтодерма . Эктодерма в конечном итоге формирует кожу (включая волосы и ногти), слизистые оболочки и нервную систему. Мезодерма формирует скелет и мышцы, сердце и кровеносную систему, мочевыделительную и репродуктивную системы, а также соединительные ткани внутри тела. Энтодерма формирует желудочно-кишечный тракт (желудок и кишечник), дыхательные пути и эндокринную систему (печень и эндокринные железы ).

Основной целью эмбриомики является полное картирование эмбриогенного дерева: идентификация каждого из типов клеток, присутствующих в развивающемся эмбрионе, и размещение его на дереве на соответствующей ветви. Существует неизвестное количество, вероятно, тысячи, различных типов клеток, присутствующих в развивающемся эмбрионе, включая линии клеток-предшественников, которые присутствуют только временно и которые исчезают либо путем дифференциации в постоянные типы соматических клеток, которые составляют ткани тела младенца при рождении (или в другие линии клеток-предшественников), либо путем прохождения запрограммированного процесса гибели клеток, известного как апоптоз.

Каждый тип клеток определяется тем, какие гены характерно активны в этом типе клеток. Конкретный ген в геноме клетки кодирует производство определенного белка , то есть, когда этот ген включен (активен), белок, кодируемый этим геном, производится и присутствует где-то в клетке. Производство определенного белка включает производство определенной последовательности мРНК ( информационной РНК ) в качестве промежуточного этапа в синтезе белка. Эта мРНК производится путем копирования процесса, называемого транскрипцией , с ДНК в ядре клетки. Полученная таким образом мРНК перемещается из ядра в цитоплазму, где она сталкивается и защелкивается на рибосомах, прикрепленных к цитоплазматической стороне эндоплазматического ретикулума . Присоединение цепи мРНК к рибосоме инициирует производство белка, кодируемого цепью мРНК. Таким образом, профиль активных генов в клетке отражается в наличии или отсутствии соответствующих белков и цепей мРНК в цитоплазме клетки, а также антигенных белков, присутствующих на внешней мембране клетки. Таким образом, обнаружение, определение и классификация клеток по их типу включает в себя обнаружение и измерение типа и количества специфических молекул белка и РНК, присутствующих в клетках.

Кроме того, картирование дерева эмбриогенеза включает в себя назначение каждому конкретному, идентифицируемому типу клеток определенной ветви или места на дереве. Это требует знания «родословной» каждого типа клеток, то есть того, какой тип клеток предшествовал ему в процессе развития. Эту информацию можно вывести, подробно наблюдая за распределением и размещением клеток по типу в развивающемся эмбрионе, а также наблюдая в клетках, растущих в культуре (« in vitro »), любые события дифференциации, если они происходят по какой-либо причине, и другими способами.

Клетки, в частности эмбриональные клетки, чувствительны к присутствию или отсутствию определенных химических молекул в их окружении. Это основа для клеточной сигнализации , и во время эмбриогенеза клетки «общаются друг с другом», испуская и получая сигнальные молекулы . Так организовано и контролируется развитие структуры эмбриона. Если клетки определенной линии были удалены из эмбриона и растут отдельно в чашке Петри в лаборатории, и некоторые сигнальные химические вещества клеток помещены в питательную среду, омывающую клетки, это может побудить клетки дифференцироваться в другой, «дочерний» тип клеток, имитируя процесс дифференциации, который происходит естественным образом в развивающемся эмбрионе. Искусственно вызывая дифференциацию таким образом, можно получить подсказки о правильном размещении определенной клеточной линии в эмбриогенном дереве, наблюдая, какой тип клеток получается в результате индуцирования дифференциации.

В лабораторных условиях эмбриональные стволовые клетки человека, растущие в культуре, можно заставить дифференцироваться в клетки-предшественники, подвергая hESC воздействию химических веществ (например, факторов роста и дифференциации белков), присутствующих в развивающемся эмбрионе. Полученные таким образом клетки-предшественники затем можно выделить в чистые колонии, вырастить в культуре, а затем классифицировать по типу и назначенным позициям в эмбриогенном дереве. Такие очищенные культуры клеток-предшественников можно использовать в исследованиях для изучения процессов заболеваний in vitro, в качестве диагностических инструментов или потенциально разрабатывать для использования в регенеративной медицине. ^[2]

Эмбриомика является основной наукой, поддерживающей развитие регенеративной медицины . Регенеративная медицина подразумевает использование специально выращенных клеток, тканей и органов в качестве терапевтических агентов для лечения болезней и восстановления травм и берет начало в развитии технологии клонирования млекопитающих. ^[3] Другие медицинские и хирургические методы могут использовать химические вещества ( фармацевтические препараты ) в качестве терапевтических агентов или включать удаление поврежденной или больной ткани ( хирургия ) или использование вставленных тканей или органов ( трансплантационная хирургия ). Использование трансплантированных тканей или органов в медицине не классифицируется как регенеративная медицина, поскольку ткани и органы не были выращены специально для использования в качестве терапевтических агентов.

В конечном счете, одной из целей регенеративной медицины и прикладной эмбриомики является создание клеток, тканей и органов, выращенных из клеток, взятых у пациента для лечения. Это будет достигнуто путем перепрограммирования взрослых стволовых или соматических клеток, взятых у пациента, так, чтобы эти клетки вернулись в плюрипотентное , эмбриональное состояние. ^{[4] [5] [6]} Эти синтетические стволовые клетки затем будут выращиваться в культуре и дифференцироваться в соответствующий тип клеток, показанный для лечения заболевания или травмы пациента. Преимущества здесь по сравнению с существующими методами лечения заключаются в следующем: устранение иммунного отторжения, сопровождающего трансплантацию аллотрансплантата , создание полного набора клеток, тканей и органов по мере необходимости и создание молодых клеток, тканей и органов для трансплантации и омоложения .

Технология выращивания клеток, тканей и органов для использования в регенеративной медицине может быть разработана с использованием естественного хода развития этих клеток, тканей и органов во время эмбриогенеза в качестве руководства. Поэтому детальное знание полного эмбриома и эмбриогенного дерева является ключом к развитию полного потенциала регенеративной медицины.

Эмбриомика также включает применение эмбриональных данных и теории для разработки практических методов оценки, классификации, культивирования, очистки, дифференциации и манипулирования эмбриональными клетками человека.

• Цифровой атлас GenePaint.org с образцами экспрессии генов у мышей