В 1924, Hilde Mangold и Hans Spemann осуществили один из наиболее известных экспериментов. Они трансплантировали разные части эмбриона пигментированной саламандры в непигментированный эмбрион хозяин и показали, что один трансплантированный регион заставлял непигментированные клетки хозяина формировать добавочный эмбрион, давая в результате 'двойной эмбрион', напоминающий сросшихся близнецов¹ (Fig. 1a). Такой трансплантируемый регион был назван организатором, из-за своей экстраординарной способности организовывать клетки хозяина вокруг себя. Спустя почти 100 лет с момента этого эксперимента, технические и этические трудности не позволяли исследователям продемонстрировать присутствие организатора у эмбрионов человека. Martyn et al.² использовали стволовые клетки, чтобы обойти эти затруднения и предоставили первое экспериментальное описание организатора человека.

Figure 1 | Experimental demonstration of organizer structures. a, In 1924, an experiment1 revealed the properties of an embryonic structure called the organizer. When taken from a pigmented salamander embryo and grafted onto an unpigmented host, the organizer induced the formation of a second embryo derived from unpigmented host cells. b, Martyn et al.2 have demonstrated the existence of human cells endowed with similar properties, using human embryonic stem (ES) cells. The authors treated circular discs of ES cells with the growth-factor proteins Wnt and Activin to produce organizer-like cells (blue). When the discs are grafted onto the extra-embryonic tissue around a chick embryo, they induce the host tissue to form an elongated stretch of neural tissue - the standard test for organizer properties.

Чтобы полностью понять важность организатора, необходимо вернуться назад к самым ранним ст. эмбрионального развития. У позвоночных оплодотворенное яйцо быстро делится, чтобы сформировать шар рыхло организованных клеток. В определенный момент развития некоторые клетки с поверхности этого шара проникают внутрь (internalized), образуя ткани, наз. энтодермой и мезодермой, которые соотв. дают кишку, мышцы и скелет. Др. клетки, оставшиеся снаружи, дают кожу и нервную систему. Этот фундаментальный процесс интернализации назван гаструляцией.

Организатор располагается непосредственно рядом с местом, в котором клетки интернализуются во время гаструлции. Он дает специфическую ткань, расположенную вдоль срединной линии эмбриона, включая хорду - структуру, которая контролирует аспекты развития ЦНС и в конечном итоге вносит вклад в межпозвонковые диски. Эквивалентный организатору саламандр был найден организатор у рыб и птиц и у млекопитающих, таких как грызуны³. У млекопитающих эта структура, действующая как организатор, названа узелком, потому что напоминает узелок, а место, интернализации названо первичной бороздкой.

В отличие от эмбрионов саламандры, млекопитающие развиваются в материнской утробе. Получение и культивирование эмбрионов млекопитающих поэтому затруднено. В само деле, это было невозможно вплоть до 1994, когда трансплантации узелков мыши в эмбрионы хозяева представили экспериментальные доказательства существования структуры со свойствами организатора у млекопитающих⁴. Хотя полный второй эмбрион не возникал в этих экспериментах, но трансплантированные узелки вызывали формирование возникающих из хозяина нервных тканей, а иногда и др. эмбриональные ткани.

Read the paper: Self-organization of a human organizer by combined Wnt and Nodal signalling

Эмбрионы человека сильно напоминают эмбрионы мышей и содержат структуры, которые выглядят подобно узелку мыши⁴. Теоретически, необходимо, чтобы показать, что эта структура и в самом деле выполняет роль организатора исследователям необходим доступ эмбрионам в возрасте 3-х недель (когда происходит гаструляция), чтобы трансплантировать узелок в эмбрион хозяин и протестировать, действительно ли он индуцирует образование происходящую из клеток хозяина нервную систему и скелетные структуры. Однако, получение интактного эмбриона на этой стадии, напр., после выкидыша, чрезвычайно проблематично. Поэтому, представляет ли собой узелок функциональный организатор у эмбрионов человека остается неясным.

Одной из альтернатив является получение эмбрионов в результате in vitro оплодотворения (IVF) в культуре вплоть до ст. трех недель, когда узелок д. уже присутствовать. Однако, вследствие этических соображений, которые возведены в закон во многих странах, человеческие эмбрионы нельзя культивировать in vitro после 14 дней, что делает такие исследования невозможными.

Вторая альтернатива касается использования плюрипотентных стволовых клеток, которые могут давать все клоны тела. Протоколы, управляющие дифференцировкой in vitro этих клеток делают возможным воспроизведение некоторых аспектов эмбрионального развития в культуральных чашках.

Плюрипотентные клетки, происходящие от эмбрионов человека, наз. эмбриональными стволовыми клетками (ES) обычно образуют плохо организованные колонии, растущие в культуре. Однако, группа, которая осуществила данное исследование раньше индуцировала⁵ ES клетки, способные к самоорганизации способом, который напоминает раннее эмбриональное развитие. Они достигли этого путем культивирования клеток на кругообразных микропаттернах (микроотпечатанных дисках из материала, наз. внеклеточным матриксом, который является оптимальным субстратом для клеток) в присутствии белка ростового фактора BMP4. Такие культуры формировали энтодерму и мезодерму, но не давали первичной полоски или подобных узелку структур.

Martyn et al. продвинули эту стратегию на ступень выше Они успешно дифференцировали ES клетки человека в похожую на узелок ткань путем воздействия на свои micropatterned культуры комбинацией ростовых факторов Wnt и Activin, которые являются критическими для формирования первичной бороздки и узелка у мышей и др. позвоночных^6,7. Такое воздействие привело к формированию структуры, которая обнаруживала характеристики первичной полоски и индуцировала клетки, которые продуцировали специфичные для организатора белки, такие как Goosecoid⁸.

Чтобы проверить, действительно ли эта структура обладает и функциональными характеристиками организатора, ав. трансплантировали её клетки в эмбрионы кур, в область, предназначенную давать внеэмбриональные ткани, поддерживающие эмбриональное развитие. Удивительно, трансплантированные клетки организовывались в хорда-подобную ткань и заставляли клетки хозяина формировать удлиненную нервную ткань (Fig. 1b), демонстрируя, что трансплантированная структура обладает свойствами организатора.

Следует отметить, что эти эксперименты всё ещё наталкиваются на этические проблемы, поскольку они осуществлены с использованием ES клеток человека, получаемыми из эмбрионов человека на ранней ст. развития. Однако, плюрипотентные кле6тки, генерируемые из репрограммированных клеток взрослых людей, которые обладают в значительной степени свойствами, идентичными с таковыми ES клеток, могут быть использованы в качестве альтернативы и являются предметом будущих исследований.

Экспериментальное исследование Martyn с колл. предоставляет альтернативу использованию эмбрионов для изучения эмбриональных узелков человека. Более того, их эксперименты подтверждают, что существует поразительная эволюционная консервация функции организатора от рыб до человека. Как организатор организует окружающую эмбриональную ткань в эмбрион известно на сегодня мало. Но способность продуцировать ткань организатора в неограниченных количествах in vitro позволит исследователям вычленить функции организатора на беспрецедентном уровне.