Degetele de la mâini şi de la picioare nu cresc spre exterior aşa cum v-aţi aştepta. Primul atlas celular uman al dezvoltării timpurii a membrelor umane dezvăluie acum, în detaliu, procese de creştere neaşteptate. Atlasul descoperă, de asemenea, noi legături între celulele de dezvoltare şi unele sindroame congenitale ale membrelor, cum ar fi degetele scurte şi degetele în plus.
Oamenii de ştiinţă reuşesc să dezvăluie informaţii fără precedent despre dezvoltarea membrelor umane, inclusiv despre numeroasele procese complexe care guvernează formarea lor.
Înainte de această reuşită, cunoaşterea asupra dezvoltării membrelor vertebrate s-a bazat în mare parte pe organisme model, cum ar fi embrionii de şoarece şi de pui, şi pe celule stem cultivate în laborator.
În timp ce dezvoltarea membrelor a fost studiată pe scară largă pe modele de şoareci şi pui, măsura în care acestea reflectă situaţia umană a rămas neclară. Cu toate acestea, progresele tehnologice permit acum cercetătorilor să exploreze etapele timpurii ale formării membrelor umane.
În acest nou studiu, oamenii de ştiinţă de la Wellcome Sanger Institute, Universitatea Sun Yat-sen şi colaboratorii lor au analizat ţesuturi între 5 şi 9 săptămâni de dezvoltare.
Acest lucru le-a permis să urmărească programe specifice de expresie genetică, activate în anumite momente şi în anumite zone, care modelează membrele în formare. Echipa a realizat şi un videoclip care vizualizează acest proces.
Colorarea specială a ţesutului a dezvăluit în mod clar modul în care populaţiile de celule se aranjează diferenţiat în modelele de formare a degetelor.
Deşi oamenii au unele asemănări cu alte vertebrate, biologia lor diferă în mod evident de cea umană.
Detaliile formării timpurii a membrelor au fost, de asemenea, puţin neclare din cauza limitărilor tehnologice, acum depăşite, şi a restricţiilor privind utilizarea embrionilor umani pentru cercetare dincolo de 14 zile, regulă care a fost relaxată în temeiul unor dispoziţii etice stricte.
Acum, cercetătorii arată că degetele de la mâini şi de la picioare nu cresc spre exterior, ci se formează din interiorul unui mugure de bază mai mare, pe măsură ce celulele intermediare se retrag pentru a dezvălui degetele de dedesubt.
Acesta este unul dintre numeroasele procese surprinse pentru prima dată, oamenii de ştiinţă dezvăluind un atlas celular spaţial al întregului membru uman în curs de dezvoltare.
Imaginea construită până acum avea membrele care apăreau iniţial ca muguri informi de membre care ieşeau din părţile laterale ale corpului embrionar.
Opt săptămâni mai târziu, dacă totul decurge conform planului, aceste pungi se transformă în membre anatomice distincte şi recognoscibile, cu degete la mâini şi la picioare.
„Este ca şi cum ai privi un sculptor la lucru, care cizelează un bloc de marmură pentru a dezvălui o capodoperă. În acest caz, natura este sculptorul, iar rezultatul este complexitatea incredibilă a degetelor noastre de la mâini şi de la picioare", spune Hongbo Zhang, autor principal şi specialist în biologie celulară la Universitatea Sun Yat-sen.
Modelele de expresie genetică dezvăluie că degetele umane iau formă în ţesuturile embrionare. Zhang et al., Nature, 2023. Atlasul oferă o resursă disponibilă în mod gratuit, şi surprinde procesele complexe care guvernează dezvoltarea rapidă a membrelor în timpul primelor etape de formare.
Este un proces remarcabil în dezvoltarea embrionară timpurie, care produce, fără îndoială, una dintre cele mai definitorii trăsături umane: degetele umane, lungi, subţiri şi opozabile.
În 2014, oamenii de ştiinţă au descris modul în care molecule specifice exprimate în momente precise ale dezvoltării embrionare au modelat formarea degetelor de la mâini şi de la picioare, dar aceste predicţii se bazau pe simulări ale datelor experimentale.
Acum, echipa internaţională condusă de biologul celular Bao Zhang a colorat acest proces în detalii rafinate, analizând mii de celule unice din ţesuturi embrionare donate care se aflau în săptămânile 5 - 9 de dezvoltare.
Se ştie că membrele apar iniţial ca nişte pungi de celule nediferenţiate pe părţile laterale ale corpului, fără o formă sau o funcţie specifică. Însă, după 8 săptămâni de dezvoltare, acestea sunt bine diferenţiate, complexe din punct de vedere anatomic şi imediat recunoscute ca membre, cu degete de la mâini şi de la picioare.
Acest lucru necesită o orchestrare foarte rapidă şi precisă a celulelor. Orice mică perturbare a acestui proces poate avea un efect în aval, motiv pentru care variaţiile membrelor se numără printre cele mai frecvent raportate sindroame la naştere, afectând aproximativ una din 500 de naşteri la nivel global.
După cum puteţi vedea în videoclipul de mai jos, cercetătorii au cartografiat modelele de expresie genetică pentru a vedea cum aceste instrucţiuni genetice modelează felul în care se formează degetele.
În cadrul studiului, cercetătorii au demonstrat că anumite tipare genetice au implicaţii asupra modului în care se formează mâinile şi picioarele, identificând anumite gene care, atunci când sunt perturbate, sunt asociate cu sindroame specifice ale membrelor, cum ar fi brahidactilia - degete scurte - şi polisindactilia - degete în plus la mâini sau la picioare.
De asemenea, echipa a reuşit să confirme că multe aspecte ale dezvoltării membrelor sunt comune oamenilor şi şoarecilor.
În general, aceste descoperiri nu numai că oferă o caracterizare aprofundată a dezvoltării membrelor la om, ci şi informaţii esenţiale care ar putea avea un impact asupra diagnosticului şi tratamentului sindroamelor congenitale ale membrelor.
[ot-video][/ot-video]
Formarea degetelor în ţesuturile embrionare umane. Zhang et al., Nature, 2023.
Expresia genei IRX1 (reprezentată în aqua în videoclipul de mai jos), o genă esenţială pentru formarea degetelor, şi SOX9 (reprezentată în magenta în videoclipul de mai jos), o genă esenţială pentru dezvoltarea scheletului, se suprapun în cinci lungimi distincte în cadrul membrului în curs de dezvoltare.
La aproximativ 7 săptămâni de dezvoltare, instrucţiunile de moarte celulară programată sunt activate în celulele nediferenţiate care se adună între aceste lungimi (asociate cu expresia MSX1, (reprezentată în galben în videoclip), iar degetele de la mâini şi de la picioare sunt bine definite.
„Am identificat 67 de grupuri de celule distincte din 125.955 de celule unice capturate şi le-am cartografiat spaţial pe parcursul a patru momente din primul trimestru pentru a arunca o nouă lumină asupra dezvoltării membrelor", scrie echipa în lucrarea publicată.
„Procedând astfel, am descoperit mai multe stări celulare noi", adaugă ei.
„Ceea ce dezvăluim este un proces extrem de complex şi reglementat cu precizie", spune Hongbo Zhang.
Asemenea unui bloc de marmură care este sculptat într-o capodoperă prin expresia acestor gene, degetele noastre de la mâini şi de la picioare sunt cizelate de la vârf la bază, pe măsură ce unele celule inutile se retrag.
Micile nereguli în acest proces pot duce la deformări ale membrelor, cu care se nasc 1 din 500 de persoane - ceea ce face ca acestea să fie unele dintre cele mai frecvent raportate sindroame la naştere.
Cercetătorii au cartografiat, de asemenea, expresia genelor legate de afecţiuni congenitale, cum ar fi degetele scurte (brahidactilie) sau degetele palmate (sindactilie), pentru a înţelege mai bine unde se abate dezvoltarea membrelor.
„Pentru prima dată, am reuşit să surprindem procesul remarcabil de dezvoltare a membrelor până la rezoluţia unei singure celule în spaţiu şi timp", spune Sarah Teichmann, autor principal şi biolog la Institutul Sanger, într-un comunicat.
Potrivit acesteia crearea de atlase unicelulare „aprofundează înţelegerea modului în care se formează structurile complexe din punct de vedere anatomic, ajutându-ne să descoperim procesele genetice şi celulare care stau la baza dezvoltării umane sănătoase, cu numeroase implicaţii pentru cercetare şi asistenţă medicală".
Cercetătorii au arătat, de asemenea, că formarea membrelor la oameni şi şoareci urmează traiectorii similare, cu unele diferenţe în ceea ce priveşte genele activate şi tipurile de celule.
Studiul a fost publicat miercuri, în revista Nature, şi face parte din iniţiativa Human Cell Atlas (Atlasul Celulelor Umane), menită să cartografieze fiecare tip de celulă din corpul uman.
