İnsan embriyonik gelişiminin ölçütünü bir petri kabı üzerinde modelleyebilir miyiz? Bu, gelişim biyolojisindeki temel soru olmuştur. Kan, beyin, kalp, böbrek, bağırsak ve plasentanın bölünmesi, insan embriyolarının ana kriteridir. Bu çalışma, insan embriyonik organoidlerinde kan, kalp ve plasentanın ayrılmasını sağladı.
Kök hücrelerin gücüne inanıyoruz. Bir petri kabında embriyo benzeri yapılar inşa edebilirler. Çalışmalarımız böyle başladı. Son derece güçlü kök hücreleri, yani genişletilmiş potansiyel kök hücreleri uyarladık. Kök hücrelerin kendi kendini organize etme kapasitesinden yararlandık ve üç germ tabakası modellemesi oluşturduk. Onlara İnsan EMbriyonik Organoidleri (HEMO’lar) adını verdik.
HEMO’lar, insan embriyolarındaki temel olayları özetledi. Morfojenlere ve sitokinlere maruz kalma yoluyla HEMO’lar kardiyak öncüller, nöral krest, kan, plasenta ve yolk kesesi üretti. Bunlar, insan embriyolarının gövde bölgesine karşılık gelir. Yüksek verimli dizileme yöntemlerinin teknolojik ilerlemesi göz önüne alındığında, embriyonik dokuların gelişiminde hücre-hücre etkileşimlerini incelemek için zaman serisi tek hücreli (sc)RNA dizilimi ve uzamsal transkriptomiklerden yararlandık.
HEMO, insan embriyonik gelişimini takip etti. ScRNA-seq’ten alınan hücreler arasında, insan gelişimsel soyları ve hematopoez dahil olmak üzere on sekiz hücre kümesini açıkladık. HEMO, ekstra embriyonik soylar (trofoblast benzeri dokular, yolk sac endoderm), ektoderm (ektoderm spesifikasyonuna sahip pluripotent kök hücreler, ektoderm benzeri hücreler, nöral ektoderm benzeri hücreler, nöral krest) ve mezoderm (mezoderm benzeri hücreler, kardiyak) edinmiştir. mezoderm benzeri hücreler, fibroblastlar, endotel).
İnsan embriyonik gelişimi sırasında hücre-hücre iletişimini ele aldık. Embriyonik gövde dokularının gelişimi sırasında, trofoblast (TB) benzeri dokulardan gelen WNT sinyalinin ağırlıklı olarak nöral krest popülasyonlarına bağlı olduğunu bulduk. Nöral krest spesifikasyon genlerinin yüksek ekspresyonu (FOXD3, SOX5, SOX6, SOX9, SOX10, PAX3, PAX7, TFAP2A) ve göç genleri (SNAI1, SNAI2) nöral krest hücrelerinin olgunlaşmasını ve göçünü önerdi. Bu gözlemler, TB benzeri dokuların HEMO’da nöral krest olgunlaşmasını ve göçünü teşvik etmede potansiyel bir rolü olduğunu göstermektedir.
İnsan embriyonik doku spesifikasyonunda uzay-zamansal gen ekspresyon manzarasını tanımladık. Şimdi scRNA-seq olgunlaştı, hala onları uzamsal bilgiyle entegre etmek oldukça talep ediliyor. Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden matematikçi Yang Can ile iş birliği yaptık. SpatialScope adlı, hem scRNA-seq hem de 10X Visium veri setini besleyen bir algoritma oluşturdu. HEMO dilimlerinde topoloji ve gen ifadesinin neredeyse tek hücreli çözünürlük bilgisine ulaştık.
Yolk kesesindeki embriyonik hematopoietik nişi ve bunların potansiyel anahtar sinyalini tanımladık. Uzamsal dilimlerde, yolk sac endoderm (YSE), eritroid hücreler (Ery) ve megakaryositler (Mk) popülasyonlarının sıklıkla aynı noktalarda meydana geldiği, fiziksel hücre düşündüren, yolk sac endoderm (YSE) ortak lokalizasyonunun olduğu yolk sac eritro-megakaryopoietik nişi tutarlı bir şekilde gözlemledik. hücre etkileşimleri. CellPhoneDB ile, VTN-ITGA2B’nin en yüksek sırada yer aldığı vitronektin (VTN) sinyali yoluyla YSE ve Mk arasında güçlü bir etkileşimli skor gözlemledik. VTN münhasıran YSE’de ifade edilirken, ITGA2B eritro-megakaryopoietik popülasyonlarda ifade edildi, Mk’de en yüksek ifade seviyesi ile. Diğer integrin alt tipleri ITGB3 Ve ITGB5 vitronektin reseptörleri Mk’de yüksek oranda ifade edildiğinden. Tutarlı bir şekilde, vitronektin-integrin genleri, eşleştirilmiş scRNA-seq veri setimizde ve uzamsal transkriptomiklerimizde benzer modeli ortaya çıkardı. Bu bulgular, sarısı kesesi endodermal hücrelerinin vitronektin ekspresyonunun birincil kaynağı olduğunu ve integrin yolunun HEMO’larda megakaryopoezi teşvik etmede bir rol oynadığını göstermektedir.
HEMO’muz gerçek dünyaya ne kadar yakın? Bulgularımızı doğrulamak için, fizyolojik alaka düzeyini (burada ‘YS hematopoezi’ olarak adlandırılır) incelemek için HEMO’ları insan fetal dokusunun scRNA-seq veri seti ile karşılaştırdık. YS hematopoez veri setinde, VTN esas olarak yolk sac epitel hücrelerinde eksprese edildi ve ITGA2B esas olarak megakaryositlerde eksprese edildi. Hem YS hematopoez hem de HEMO, vitronektin, integrinler, GFI1B, Ve NFE2. Birlikte ele alındığında, HEMO’nun yolk kesesinde insan embriyonik hematopoezini ve megakaryopoezin moleküler bir imzası olarak vitronektin-integrin sinyalini taklit edebileceğini kanıtlar.
Özetle, kök hücreden türetilen embriyolar, insan embriyonik gelişiminin anlaşılmasını ilerletmiştir. Bu, insan gelişimi ve hastalık modellemesi için önemli olan genleri bozmak ve tasarlamak için bir platform sunar. Ticari kitlerde tanımlanan besiyerini benimseyerek, tekniklerin farklı laboratuvarlar arasında tekrar üretilebilirliğini geliştirdik.
HEMO’nun olası uygulaması, hematopoietik ve bağışıklık hücrelerini tasarlamaktır. Ekstraembriyonik doku sarısı kesesinin vitronektin-integrin ekseni yoluyla megakaryopoezdeki katkısı, hücre terapileri için kök hücrelerden trombosit üretme sözü vermektedir. Monositlerin ve makrofajların üretimi ve mühendisliği, kanserleri ve bulaşıcı hastalıkları hedef alabilir. Sarısı kesesi hematopoietik nişinin mekansal olarak anlaşılması ve faktörlerinden yararlanılması, kök hücrelerden bağışıklık hücrelerinin oluşumunu teşvik edebilir.