Ljudski prsti na rukama i nogama ne rastu prema spolja kako biste očekivali. Umesto toga, naše spretne cifre su „izvajane“ unutar većeg osnovnog pupoljka.
Sada je prvi atlas ljudskih ćelija ranog razvoja ekstremiteta konačno otkrio u izuzetnim detaljima kako se to tačno dešava.
Pre toga, naše razumevanje razvoja udova kičmenjaka bilo je u velikoj meri zasnovano na modelnim organizmima, kao što su miševi i pileći embrioni, i matične ćelije uzgojene u laboratoriji.
Iako ljudi dele neke sličnosti sa drugim kičmenjacima, njihova biologija se očigledno razlikuje od naše.
Detalji o ranom formiranju udova takođe su postali malo nejasni zbog tehnoloških ograničenja, koja su sada prevaziđena, i ograničenja upotrebe ljudskih embriona za istraživanje duže od 14 dana, što je pravilo koje je ublaženo pod strogim etičkim odredbama.
Do sada napravljena slika imala je udove koji su u početku izlazili kao bezoblični pupoljci udova koji vire sa strana tela embriona. Osam nedelja kasnije, ako sve ide po planu, te kese su se transformisale u anatomski različite, prepoznatljive udove, zajedno sa prstima na rukama i nogama.
To je izvanredan proces u ranom embrionalnom razvoju koji proizvodi verovatno jednu od naših najvažnijih ljudskih osobina: naše dugačke, vitke, suprotne palčeve.
Naučnici su 2014. opisali kako su specifični molekuli izraženi u preciznim trenucima embrionalnog razvoja oblikovali formiranje prstiju na rukama i nogama, iako su ta predviđanja bila zasnovana na simulacijama eksperimentalnih podataka.
Sada je međunarodni tim predvođen ćelijskim biologom Bao Žangom sa Univerziteta Sun Jat-sen u Kini, detaljno oslikao taj proces, analizirajući hiljade pojedinačnih ćelija iz doniranih embrionalnih tkiva koje su bile između 5 i 9 nedelja razvoja.
„Identifikovali smo 67 različitih klastera ćelija od 125.955 uhvaćenih pojedinačnih ćelija i prostorno ih mapirali kroz četiri vremenske tačke u prvom tromesečju kako bismo bacili novo svetlo na razvoj udova“, piše tim u svom objavljenom radu.
„Na taj način smo otkrili nekoliko novih stanja ćelija“, dodaju oni.
„Ono što otkrivamo je veoma složen i precizno regulisan proces“, kaže Hongbo Zhang, viši autor i ćelijski biolog sa Univerziteta Sun Jat-sen u Kini.
„To je kao da gledate vajara kako radi, kako klesate blok mermera da biste otkrili remek-delo. U ovom slučaju, priroda je vajar, a rezultat je neverovatna složenost naših prstiju na rukama i nogama.“
Kao što možete videti u video snimku ispod, istraživači su mapirali obrasce ekspresije gena da bi videli kako su te genetske instrukcije oblikovale kako se formiraju cifre.
Od maglovitih početaka, ekspresija IRKS1 (predstavljenog u akva u videu ispod), gena kritičnog za formiranje cifara, i SOKS9 (predstavljenog u magenta na snimku), gena neophodnog za razvoj skeleta, preklapaju se u pet različitih dužina unutar ud u razvoju.
Oko 7 nedelja razvoja, programirane instrukcije za smrt ćelije se uključuju u nediferenciranim ćelijama koje se skupljaju između ovih dužina (povezanih sa ekspresijom MSKS1, predstavljenom žutom bojom na video snimku), i otkrivaju se dobro definisani prsti na rukama i nogama.
Kao blok mermera koji se ekspresijom ovih gena oblikuje u remek-delo, naši prsti na rukama i nogama su isklesani od vrha do osnove dok se nepotrebne ćelije povlače.
Male nepravilnosti u ovom procesu mogu dovesti do deformiteta udova, sa kojima se rađa 1 od 500 ljudi – što ih čini jednim od najčešće prijavljenih sindroma pri rođenju.
Istraživači su takođe mapirali ekspresiju gena povezanih sa urođenim stanjima, kao što su kratki prsti (brahidaktilija) ili mrežaste cifre (sindaktilija), da bi dobili bolji osećaj gde razvoj udova skreće sa kursa.
„Prvi put smo uspeli da uhvatimo izuzetan proces razvoja ekstremiteta sve do rezolucije jedne ćelije u prostoru i vremenu“, kaže Sara Tajhman, viši autor i računarski biolog na Institutu Vellkom Sanger.
Ona kaže da stvaranje jednoćelijskih atlasa „produbljuje naše razumevanje o tome kako se formiraju anatomski složene strukture, pomažući nam da otkrijemo genetske i ćelijske procese iza zdravog ljudskog razvoja, sa mnogim implikacijama za istraživanje i zdravstvenu zaštitu“.
Važno je da su istraživači takođe pokazali da formiranje udova kod ljudi i miševa prati slične putanje, sa određenim razlikama u aktiviranim genima i tipovima ćelija.
