Rokfeller Universiteti tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilmiş , Robert Eqan tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriKredit: Hüceyrə Kök Hüceyrəsi (2025). DOI: 10.1016/j.stem.2025.09.006

Döllənmədən cəmi iki həftə sonra insan bədəninin üç oxunun (baş/quyruq, qarın/dorsal və sağ/sol) formalaşmasının ilk əlaməti görünməyə başlayır. Qastrulyasiya olaraq bilinən bu mərhələdə, düz və xüsusiyyətsiz hüceyrə təbəqəsi bədən üçün canlı bir plana, hər toxumanın necə inkişaf edəcəyini təyin edəcək baltalara və təbəqələrə qısa müddətdə çevrilir. Bununla belə, bu çox vacib məqam uzun müddət elmin imkanlarından kənarda qaldı, birbaşa öyrənmək üçün çox erkən və uşaqlığın dərinliklərində baş verdi.

İndi yeni bir araşdırma göstərir ki, insan inkişafındakı bu əsas addım kimyəvi siqnallar və fiziki qüvvələr arasında dəqiq qarşılıqlı əlaqə ilə idarə olunur. Hüceyrə Kök Hüceyrəsində nəşr olunan məqalə tədqiqatçılara qastrulyasiyanı başlatdığı bilinən əsas inkişaf zülallarını aktivləşdirməyə imkan verən işıq əsaslı sintetik embrion alətini təqdim edir.

Komanda bu zülallardan birini, BMP4-ü işə salmaq üçün işıqdan istifadə etdikdə, yalnız kimyəvi siqnalların kifayət etmədiyini gördülər – transformasiya yalnız hüceyrələr də düzgün mexaniki şəraitdə olduqda başladı. Nəticələr, erkən insan inkişafının daha etibarlı modelini və gələcək regenerativ və məhsuldarlıq terapiyaları üçün potensial zəmin təklif edərək, toxuma mexanikası ilə molekulyar siqnal arasında əsaslı qarşılıqlı asılılığı ortaya qoyur.

Sintetik Embriologiya Laboratoriyasının rəhbəri Əli H. Brivanlou deyir: “Biz indi öz-özünə təşkili və müxtəlif hüceyrə növləri yarada bilərik, sadəcə ona işıq saçmaqla.” “Bu, bizə mexaniki qüvvələrin embrion inkişafındakı rolu haqqında böyük bir kəşf etməyə imkan verdi.”

Optogenetik irəliləyiş yeni işıq saçır

Qastrulyasiya simmetriyanın pozulması ilə başlayır. Embrion hüceyrələrinin vahid təbəqəsi üçölçülü başdan quyruğa qədər oxuna – başın, onurğanın və ətrafların sonda harada formalaşacağını müəyyən edən fəza planına çevrilir. Brivanlou və həmkarları onilliklər ərzində heyvan modellərinin və insan embrion kök hüceyrələrinin laboratoriya tədqiqatlarının köməyi ilə bu əsas inkişaf mərhələsinin sirrini həll edirlər.

Rokfellerdəki İnsan Pluripotent Kök Hüceyrə Resurs Mərkəzinin direktoru və nəzəri fizika ilə birlikdə bu tədqiqatın birinci müəllifi Rikkardo De Santis deyir: “Qastrulyasiya implantasiyadan qısa müddət sonra uterusda baş verir, buna görə də insan pluripotent kök hüceyrələrindən istifadə etmədən onu in vitro öyrənmək mümkün deyil”. “Məqsədimiz in vivo başqa cür öyrənilə bilməyən bir inkişaf anına pəncərə açmaq idi.”

Əvvəlki iş göstərdi ki, BMP4 kimi biokimyəvi siqnal molekulları embrion inkişafı tənzimləmək üçün hüceyrə və toxumaların davranışlarına təsir göstərir. Ancaq qurbağa və cücə embrionları üzərində aparılan araşdırmalar bunun hekayənin yalnız bir hissəsi olduğunu göstərdi. Mexanik gərginlik, toxuma həndəsəsi və müxtəlif fiziki qüvvələr də inkişaf yolu ilə heyvan rüşeymlərinin yaranmasında rol oynamışdır. De Santis deyir: “Bir çox məlumat nəhayət gəlir və indi mexaniki siqnalın rolunun lazımi səviyyədə qiymətləndirilmədiyi aydındır”.

De Santis, komandaya insan inkişafı kontekstində biokimyəvi siqnallar və mexaniki qüvvələr arasında qarşılıqlı əlaqəni araşdırmaq imkanı verən optogenetik alət hazırladı. İnsan embrionunun kök hüceyrələrini işığa cavab vermək üçün dizayn edərək, onun sistemi tədqiqatçılara inkişaf genlərini qeyri-adi dəqiqliklə aktivləşdirməyə imkan verdi.

Müəyyən bir işıq dalğasına məruz qaldıqda, hüceyrələr BMP4-ü daimi olaraq yandıran bir genetik keçidi çevirmək üçün hazırlanmışdır. Bu quraşdırma həmçinin elm adamlarına siqnalın embrion hüceyrələrinin yığınında dəqiq nə vaxt və harada aktivləşdiriləcəyini seçmək imkanı verdi ki, bu da onlara ilk dəfə olaraq embrionun istənilən fiziki yerində toxuma həndəsəsinin və mexaniki gərginliyin inkişafa necə təsir göstərə biləcəyini sınamağa imkan verdi.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Mexanik qüvvələrin artması

Komanda insan kök hüceyrələrində BMP4 siqnalını aktivləşdirmək üçün bu işıq əsaslı sistemdən istifadə etdikdə, mexaniki qüvvələrin rolu tez bir zamanda aydın oldu. BMP4-ün qeyri-məhdud, aşağı gərginlikli mühitlərdə işə salındığı mədəniyyətlərdə qastrulyasiya heç vaxt tam birləşməmişdir. Tək BMP4, amnionu meydana gətirənlər kimi ekstra-embrion hüceyrə növlərinin yaranması üçün kifayət idi, lakin nümunə bədən orqanlarını qurmaq üçün davam edən təbəqələr olan mezoderma və endodermanı yarada bilmədi. Bu, qastrulyasiyanı həyata keçirmək üçün tək morfogenlərin kifayət etmədiyini nümayiş etdirdi.

Lakin komanda “uzaqdan idarəetməni” məhdud hüceyrə koloniyalarının kənarlarına və gərginliyə səbəb olan hidrojellərə yerləşdirilən hüceyrələrə yönəldəndə qastrulyasiyanın çatışmayan təbəqələri formalaşmağa başladı. Sonrakı təcrübələr YAP1 vasitəsilə mexaniki gərginliyin WNT və Nodal tərəfindən vasitəçilik edilən aşağı axın biokimyəvi siqnal yollarını necə tənzimlədiyini, hansı növ toxumaların hüceyrələrə çevriləcəyini göstərdi.

Rokfellerin Sensor Nevrologiya Laboratoriyasının rəhbəri, mərhum Cim Hudspeth ilə birlikdə baş elmi işçi Françesko Pikkolonun rəhbərlik etdiyi əvvəlki tədqiqat göstərdi ki, YAP1 mexaniki zülalının nüvə səviyyələri mikropatternlərdə özünütəşkilatın tənzimlənməsində həlledici rol oynayır.

Hazırkı araşdırma, YAP1 nüvəsinin qastrulyasiyanın molekulyar əyləci kimi çıxış etdiyini və bu çevrilmələrin çox tez baş verməsinin qarşısını aldığını ortaya qoydu. Nəticələr göstərir ki, qastrulyasiya yalnız molekulyar siqnallar və mexaniki gərginlik uyğunlaşdıqda başlaya bilər – görünür, hüceyrələr həm kimyəvi, həm də fiziki olaraq hazırlanmalıdır.

Brivanlou deyir: “Rüşeymin üzərində çox gözəl molekulyar biologiya, siqnalizasiya üzərində çox inanılmaz iş var. Amma biz bir sahə olaraq fiziki qüvvələrə laqeyd yanaşırıq”. “İndi aydın oldu ki, mexaniki qüvvələr olmadan biz düzgün embrion inkişafı üçün hüceyrələr yarada bilmərik.”

Nəticələr təkcə optogenetik vasitələrin gücünü və mexaniki qüvvələrin əhəmiyyətini nümayiş etdirməklə yanaşı, həm də insan embrionlarının ən erkən mərhələlərdə necə təşkil edildiyini başa düşmək üçün yeni çərçivə təmin edir.

Təcrübələri tamamlamaq üçün Laurent Jutras-Dubé inkişaf etməkdə olan embrionun “rəqəmsal əkizləri” kimi çıxış edən riyazi model hazırladı. Bu kompüter simulyasiyası BMP4, WNT və NODAL kimi biokimyəvi siqnalların toxumalarda necə hərəkət etdiyini və fiziki qüvvələrlə necə qarşılıqlı əlaqədə olduğunu göstərir. Mexanik gərginliyin faktiki ölçmələrindən istifadə edərək, model siqnal nümunələrinin və toxuma quruluşunun xüsusi hüceyrə təbəqələrinə necə səbəb olduğunu təxmin edə bilər.

Simulyasiyalar eksperimental olaraq müşahidə edilənlərə yaxından uyğun gəlir və göstərir ki, həm biokimyəvi siqnallar, həm də mexaniki gərginlik bu embrioloji siqnal kaskadının öz-özünə təşkili üçün birlikdə işləməlidir. Bu inteqrasiya olunmuş yanaşma erkən inkişaf zamanı embrionun necə dəyişdiyini anlamaq üçün kəmiyyət üsulunu təmin edir.

Mikroçip platformasında qurulan bu təkmilləşdirilmiş sintetik embrionlar Brivanlou laboratoriyasının əlamətdar işi əsasında qurulub. Bu laboratoriya 2014-cü ildə mikroçiplərdə yetişdirilən insan embrion kök hüceyrələrinin erkən inkişaf modelini təqlid edən ikiölçülü “qastruloidlər”ə öz-özünə təşkil oluna biləcəyini ilk nümayiş etdirdi.

Daha sonra komanda mexaniki təşkilatçının mümkün mövcudluğunu tədqiq etməyi planlaşdırır – erkən embrionu formalaşdıran klassik siqnal mərkəzlərinin gücə əsaslanan həmkarı. Onlar şübhələnirlər ki, kimyəvi işarələrə əlavə olaraq, embrion inkişaf mərhələlərində irəliləmək üçün xüsusi fiziki şərtləri təmin etməlidir – müəlliflər bunu mexaniki bacarıq adlandırırlar. De Santis deyir: “Mexanik təşkilatçının mövcudluğu transformasiyaya səbəb ola biləcək təxribatçı bir anlayışdır”.

Konseptual təsirindən əlavə, optogenetik uzaqdan idarə olunan embrion dizayn edilmiş mikromühitlərdə inkişaf işarələrinin işıqla idarə edilməsinə imkan verən təcrübələr üçün misilsiz platforma təklif edir. Bu cür sistemlər regenerativ təbabəti və reproduktiv sağlamlığı inkişaf etdirə bilər, istəyə görə aktivləşən kök hüceyrə müalicələrini təkmilləşdirməkdən tutmuş erkən hamiləliklərin bəzən uğursuzluqla nəticələndiyini aydınlaşdırmağa qədər.

De Santis deyir: “Bizim işimiz fundamental biologiya və əsas elmə yönəlib, lakin nəticələr məhsuldarlığı dəstəkləmək baxımından həqiqətən vacibdir”. “Biz embriogenezin əsas qaydaları haqqında anlayışımızı təkmilləşdirdikdə, bu məlumatdan insanlara gələcək ailələrin qurulması üçün ən yaxşı imkanlar vermək üçün istifadə edə bilərik.”

Artıq indiki iş hamımızın harada başladığımıza dair misli görünməmiş bir mənzərə təqdim edir. Brivanlou deyir: “Bəzən elm adamları alətlər, çiplər və işıqlar arasında itib gedirlər və biz bu cür tədqiqatın xüsusi olduğunu unuduruq”. “Qastrulyasiyaya baxanda özümü keçmişimi əks etdirən güzgüyə baxdığımı hiss edirəm. Bu, sadəcə elm deyil. Bu, hamımızın haradan gəldiyimizə – bizi olduğumuz kimi edən inkişafın sehrli mərhələsinə baxmaq imkanıdır”.

Ətraflı məlumat: Rikkardo De Santis və digərləri, Toxuma mexanikası və BMP4 siqnalı arasında qarşılıqlı əlaqə insan qastrula modellərində simmetriyanın pozulmasını tənzimləyir, Hüceyrə Kök Hüceyrə (2025). DOI: 10.1016/j.stem.2025.09.006

Jurnal məlumatı: Cell Stem Cell 

Rokfeller Universiteti tərəfindən təmin edilmişdir