Die Black Box der Embryonalentwicklung entschlüsseln

Die Black Box der Embryonalentwicklung entschlüsseln

Internationale Zusammenarbeit verbessert Methode zur Kultivierung von Primatenembryonen, um mehr über die menschliche Entwicklung zu erfahren

LA JOLLA – Über die molekularen und zellulären Ereignisse, die während der frühen Embryonalentwicklung bei Primatenarten auftreten, ist wenig bekannt. Jetzt hat ein international renommiertes Wissenschaftlerteam aus China und den USA eine Methode entwickelt, mit der Primatenembryonen länger als je zuvor im Labor wachsen können. Dadurch können die Forscher erstmals molekulare Details wichtiger Entwicklungsprozesse erhalten. Obwohl diese Forschung an nichtmenschlichen Primatenzellen durchgeführt wird, kann sie direkte Auswirkungen auf die frühe menschliche Entwicklung haben.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in Forschung am 31. Oktober 2019 liefern wertvolle Einblicke in die frühe Embryonalentwicklung und können möglicherweise dazu beitragen, Ansätze zur Weiterentwicklung der regenerativen Medizin beim Menschen zu entwickeln.

„Unsere Studie gibt einen ersten Einblick in diese Blackbox der frühen Entwicklung“, sagt er Juan Carlos Izpisúa Belmonte, Co-korrespondierender Autor und Professor am Gene Expression Laboratory von Salk. „Wir können jetzt beobachten, wie Zellen jedes Embryonalstadium durchlaufen und welche Faktoren sie für ihre Entwicklung benötigen, was dazu beitragen wird, bessere Möglichkeiten für die Erzeugung einer Vielzahl von Zellen und Geweben zu schaffen.“

„Um die zellulären und molekularen Mechanismen zu verstehen, die der Gastrulation von Primaten zugrunde liegen, haben wir vor drei Jahren in China mit Affenembryokulturexperimenten begonnen. Aufgrund der langjährigen Expertise des Teams in der systematischen Untersuchung nichtmenschlicher Primaten und gut etablierter Reproduktionsforschungssysteme, wie beispielsweise einer In-vitro-Fertilisationsplattform, ist es uns gelungen, unsere Ziele zu erreichen. Dies kann dazu beitragen, Licht auf bisher unbekannte Aspekte der menschlichen Entwicklung nach der Implantation zu werfen.“ sagt Weizhi Ji, Mitautor, Professor und Dekan des Instituts für Primatentranslationale Medizin der Universität für Wissenschaft und Technologie Kunming in China.

Die Wissenschaftler wollten einen frühen Entwicklungsmeilenstein namens Gastrulation untersuchen, der auftritt, wenn sich ein sich entwickelnder Embryo in eine mehrschichtige Struktur namens Gastrula verwandelt, aus der alle zukünftigen Gewebe und Organe hervorgehen. Eine Schicht wird zur Lunge, zum Magen-Darm-Trakt und zur Leber; ein anderer wird zum Herzen, zu den Muskeln und zu den Fortpflanzungsorganen; und ein Drittel wird zur Haut und zum Nervensystem. Allerdings kannten die Wissenschaftler die molekularen und zellulären Treiber dieses Prozesses bei Primaten nicht, was größtenteils auf den begrenzten Zugang zu frühen Embryonen zurückzuführen ist.

„Unser Ziel war es, einen Primatenembryo zu einem frühen Zeitpunkt zu kultivieren, um den Entwicklungsprozess zu untersuchen“, sagt Jun Wu, Mitautor der Arbeit und Assistenzprofessor am Southwestern Medical Center der University of Texas. „Wir wollten die Embryonen jeden Tag überwachen, um ihre Form, Größe und Migrationsmuster zu beobachten und um zu beobachten, wie sie während der frühen Primatenentwicklung verschiedene Zelltypen erzeugen.“

Um diese entscheidende Transformation besser untersuchen zu können, haben die Wissenschaftler ein zuvor etabliertes Embryonenkulturprotokoll geändert, um es einem frühen Primatenembryo zu ermöglichen, sich bis zu zwanzig Tage lang unter Laborbedingungen zu entwickeln. Bisher war es den Forschern nur möglich, kultivierte Primatenembryonen vor der zweiten Schwangerschaftswoche zu erhalten. Mithilfe des neuen Protokolls stellte das Team fest, dass die Zellen in kultivierten Embryonen klare Entwicklungsverläufe in Richtung jeder Schicht der Gastrula aufwiesen, und die Ergebnisse enthüllten einige der molekularen Details, die für dieses Wachstum erforderlich sind. Die Daten könnten auch als Ressource genutzt werden, um die Dauer der Embryonenkultivierung über zwanzig Tage hinaus zu verlängern, um die Differenzierung (Spezialisierung) von Stammzellen besser untersuchen zu können.

„Diese Ergebnisse beleuchten einige der Regulationsnetzwerke und Signalwege, die für die Entwicklung bei Primaten entscheidend sind“, sagt Izpisua Belmonte. „Dieses System bietet eine Grundlage und Ressource für die Entwicklung besserer Strategien zur Untersuchung der frühen Primatenentwicklung im Hinblick auf Gesundheit und Krankheit im Labor.“

Weitere Autoren waren Yuyu Niu, Nianqin Sun, Chang Li, Chenyang Si, Jinkuan Wei, Yu Kang, Wei Si, Hong Wang, E Zhang, Lu Zhao, Ziwei Li und Tao Tan von der Kunming University of Science and Technology; und Ying Lei, Xi Dai, Chuanyu Liu, Zhihao Huang und Longqi Liu von BGI-Shenzhen.

Die Arbeit wurde vom National Key Research and Development Program (2016YFA0101401), der National Natural Science Foundation of China (81760271), Major Science and Technology Projects of Yunnan Province (2017ZF028) und Key Projects of Basic Research Program in Yunnan Province (2017FA010) finanziert ). Die Arbeit im Labor von Juan Carlos Izpisua Belmonte wurde von der Moxie Foundation unterstützt.

DOI: 10.1126/science.aaw5754