Jak powstaje człowiek

Eksperyment z udziałem hybryd ludzkich i kurzych embrionów pozwolił zamknąć trwającą od ponad stu lat dyskusję dotyczącą jednej z pierwszych faz naszego rozwoju.

04.06.2018

Czyta się kilka minut

Aztecka bogini Xochiquetzal – protektorka młodych matek, patronka płodności i narodzin. / PHOTO RESEARCHERS / EAST NEWS
Aztecka bogini Xochiquetzal – protektorka młodych matek, patronka płodności i narodzin. / PHOTO RESEARCHERS / EAST NEWS

Jak to się dzieje, że ze zbitki identycznych komórek, jaką jest zarodek w kilka dni po zapłodnieniu, w kolejnych tygodniach rozwiną się ręce, głowa i bijące serce? Dlaczego z jednych komórek zarodka powstaną naczynia krwionośne, a inne dadzą początek układowi nerwowemu czy skórze? Pomimo ogromnego postępu w wielu dziedzinach biologii najwcześniejsze etapy rozwoju zarodkowego człowieka w dalszym ciągu pozostają słabo poznane.

Wiele badań dotyczących wczesnych etapów rozwoju prowadzonych jest na płazach czy rybach, które przypominają naszych dalekich ewolucyjnych przodków. To jednak bardzo różne od nas organizmy i jeśli chcemy zrozumieć, jak przebiega najwcześniejszy rozwój człowieka, a taka wiedza jest bezcenna dla medycyny, musimy sięgać po bardziej miarodajne modele. Badania na ludzkich embrionach, ze względu na przepisy bioetyczne obowiązujące w wielu krajach, w tym USA, muszą być przerywane na etapie 14-dniowego zarodka. Czyli w momencie, kiedy zaczynają się dziać najciekawsze z naukowego punktu widzenia procesy kształtujące człowieka.

Budowa drugiego mózgu

Naukowcy już od pewnego czasu wiedzą, że komórki, z których zbudowany jest zarodek – tzw. zarodkowe komórki macierzyste – mogą się rozwinąć w dowolny wyspecjalizowany typ komórek: mięśni, kości, skóry itd. Z badań nad płazami i rybami wiadomo także, że na wczesnym etapie rozwoju zarodka wyodrębniają się grupy tzw. komórek organizatorów. To właśnie one instruują inne komórki za pomocą molekularnych przekaźników, jak powinny się rozwijać. Zaobserwowano u płazów i ryb, że komórki „organizatorzy” przeszczepione z jednego zarodka na inny są w stanie wytworzyć u niego drugi rdzeń kręgowy i centralny układ nerwowy. Do tej pory jednak, z powodu regulacji bioetycznych, nikt nie udowodnił istnienia ludzkich komórek „organizatorów”. Powstają one właśnie w czasie ok. 14 dni od zapłodnienia, czyli dokładnie wtedy, kiedy zgodnie z przepisami należy zaprzestać badań na zarodkach w warunkach laboratoryjnych.

Przełomem w badaniach nad ludzkimi komórkami „organizatorami” okazała się praca naukowców z Uniwersytetu Rockefellera w Nowym Jorku, opublikowana pod koniec maja w magazynie ­„Nature”. Zespół pod kierownictwem Alego H. Brivanlou opracował metodę tworzenia hybryd sztucznie wyhodowanego zarodka człowieka i zarodka kury. Pozwoliło to ominąć bioetyczne obostrzenia – naukowcy mogli więc prowadzić swoje badania na komórkach zarodkowych starszych niż 14 dni.

Początkowo naukowcy nauczyli się, jak z ludzkich zarodkowych komórek macierzystych w warunkach laboratoryjnych „wyprodukować” sztuczne embriony w probówkach. Powstają one z komórek pobranych z embrionów i są umieszczane na specjalnym podłożu, które ma symulować warunki naturalne. Jednak taki model badawczy, znajdujący się w izolowanym środowisku na plastikowej szalce, nie nadawał się do badań nad komórkami „organizatorami”. Dlatego w kolejnym kroku naukowcy próbowali przeszczepiać ludzkie embriony na zarodki myszy, w ten sposób zapewniając im bardziej naturalne warunki rozwoju. Wyniki tych eksperymentów były obiecujące, ale nie udało się zaobserwować powstawania drugiego układu nerwowego, co jest uznawane za główną oznakę istnienia komórek „organizatorów”. Wtedy właśnie wpadli na pomysł, żeby spróbować przeszczepiać ludzkie komórki na zarodki kurze. Żeby móc łatwo odróżnić komórki ludzkie od ptasich, badacze wyznakowali te pierwsze fluorescencyjnie. Takie molekularne ometkowanie umożliwia śledzenie kolejnych pokoleń komórek powstających w wyniku podziałów. W ten sposób można łatwo identyfikować pod mikroskopem położenie ludzkich komórek na ptasim embrionie.

Kluczowa okazał się obserwacja, że na zarodkach kurzych, na które zostały przeszczepione ludzkie komórki, zaczęły się rozwijać zaczątki drugiego układu nerwowego. Było to pierwszym bezpośrednim dowodem na istnienie ludzkich komórek „organizatorów”. Co ciekawe, elementy chrzęstne i kostne drugiego układu nerwowego składały się ze świecących fluorescencyjnie komórek ludzkich, natomiast zaczątki samego rdzenia kręgowego i mózgu były tworzone przez komórki kurze. Jedynym wytłumaczeniem takiej obserwacji było to, że ptasie komórki reagowały na sygnały pochodzące od ludzkich komórek.

Rozwój pod kontrolą

Eksperymenty opisane w „Nature” dowodzą, że losy poszczególnych komórek zarodkowych są ściśle ustalone oraz że sygnały molekularne sterujące rozwojem zarodkowym są utrwalone w ewolucji. Warto pamiętać, że ptaki są ewolucyjnie bardzo dalekie od człowieka, bliżej im do dawno temu wymarłych dinozaurów. A mimo to najwyraźniej te same sygnały molekularne sterują początkowymi etapami rozwoju kury i człowieka.

Naukowcy z Uniwersytetu Rockefellera odwołują się w swojej publikacji do pionierskich prac niemieckich embriologów, Hansa Spemanna i Hilde Mangold, sprzed prawie 100 lat. Wtedy udało się pokazać, że komórki przeszczepione z jednego zarodka salamandry na drugi potrafią zainicjować powstawanie drugiej, dołączonej salamandry w obrębie jednego zarodka. Powszechnie uznaje się te eksperymenty za pierwsze dowodzące istnienia komórek „organizatorów” u płazów. Prace zespołu Alego H. Brivanlou zamykają trwającą już prawie sto lat dyskusję, czy takie komórki obecne są również w ludzkich zarodkach.

To oczywiście dopiero początek długiej drogi. Na razie udało się opracować metodę, która będzie na pewno wykorzystywana w wielu laboratoriach zajmujących się embriologią na całym świecie. Ali H. Brivanlou, w wypowiedzi dla portalu ScienceDaily.com, podkreśla: „Jeśli chcesz zrozumieć jakiś proces, musisz najpierw zrozumieć jego początki”. Dodaje też, „że jeśli chcemy poznać przyczyny ludzkich chorób, musimy najpierw rozwinąć metody pracy na komórkach ludzkich”. Badania nowojorskich naukowców mogą pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów odpowiedzialnych za wczesne, spontaniczne poronienia. Są one również istotne dla medycyny regeneracyjnej, która coraz częściej wykorzystuje komórki macierzyste do naprawy lub odnowy chorych tkanek. W końcu przysłużą się też zrozumieniu wielu procesów zachodzących w komórkach rakowych, czyli takich, które wymykają się spod kontroli reszty organizmu. ©

Przebieg ciąży

W wyniku zapłodnienia, czyli połączenia plemnika i komórki jajowej, powstaje jednokomórkowa zygota, która ulega intensywnym podziałom komórkowym. Powstała zbitka komórek przekształca się w blastocystę, czyli pęcherzyk z zagęszczeniem około 200-300 komórek na jednym biegunie tworzącym tzw. węzeł zarodkowy. Jest to właściwy zarodek, który implantuje się w macicy ok. 10. dnia po zapłodnieniu. Wtedy też zaczynają powstawać narządy pierwotne, m.in. cewki nerwowe, jelita pierwotne oraz błony płodowe.

Kolejny etap rozwoju to gastrulacja, kiedy w obrębie zarodka wyodrębniają się tzw. trzy listki zarodkowe: endoderma, mezoderma i ektoderma, z których rozwiną się później poszczególne organy. Cały proces embriogenezy można określić jako skoordynowane w czasie i przestrzeni zmiany ekspresji poszczególnych genów, podziały komórkowe i różnicowanie komórek.

Serce jest pierwszym funkcjonalnym narządem, już około 21. dnia od zapłodnienia zaczyna pompować krew.

Układ pokarmowy rozwija się do 12. tygodnia ciąży, w tym czasie powstaje też pełny układ nerwowy. Przyjmuje się, że rozwój zarodkowy trwa do 8. tygodnia, po którym następuje rozwój płodowy. W odróżnieniu od zarodka płód ma dużo lepiej rozpoznawalne cechy zewnętrzne i bardziej rozwinięte organy ­wewnętrze. Ciąża trwa około 38 tygodni. © AB

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Doktor biologii molekularnej i popularyzatorka nauki, autorka „Tygodnikowego” działu Nauka. Absolwentka kierunku biotechnologia medyczna na Uniwersytecie Jagiellońskim. W czasie studiów magisterskich prowadziła badania naukowe w Instytucie Biochemii Maxa… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 24/2018