Buňky mají záhy jasno v tom, zda se budou dělit a rozrůstat podélně nebo příčně. Znají svojí polaritu. Kredit: Magdalena Zernicka-Goetz.

Co a jak řídí první kroky buněk ve vyvíjejícím se embryu trápí vědce už dlouho. K těm zlomovým poznatkům lze řadit nálezy Polky pracující v Cambridge University. Magdalena Zernicka-Goetz zpochybnila všeobecně uznávanou představu, že buňky v časném savčím embryu jsou totipotentní. To je termín, který si vědci vymysleli pro schopnost buněk dát vznik jakémukoli  typu buněk v organismu. Že tomu tak úplně není dokazovala pokusy na embryích hlodavců. Když se myší embrya nacházela ve stadiu dvou buněk, jednu z nich označila barvičkou. Pak sledovala jejich osud. Ukázalo se, že u většiny embryí se jedna z buněk začne dělit  podélně  (myšleno v pomyslné „poledníkové rovině vajíčka“), zatímco druhá buňka se dělí tak, že dává vznik buňkám rozrůstajícím se „napříč rovníkem vajíčka“. Již to, že buňky mají jasno v polaritě, je samo o sobě zajímavé. Mnohem překvapivější zjištění ale na její tým teprve čekalo.

Jakmile buňky vytvořily podélné šiky, začaly svoje místo opouštět. Buňky „cestovatelky“ pak vytvoří vlastní tělo myšky. Buňky, které vznikly z o zlomek času pozdějšího dělení ( „příčného dělení“), zůstávaly „sedět na místě  jako pecky“. Ty pak dávaly vznik placentě. Jinak řečeno, buňky mají jasno v tom, která dá vznik novému tvoru, a ze které nakonec bude jen placenta a v konečné fázi tedy odpad. Vědí to možná již po svém prvním  dělení.

Takto vypadá embryo (půvpdně blastocysta tvořená několika blastomerami) na němž si výzkumníci jednotlivé buňky označili různými barvičkami (červenou, modrou a zelenou). Barvička dovoluje sledovat, jaké části zárodku ta která buňka dává vznik. Kredit: Magdalena Zernicka-Goetz.

Ani u toho ale ještě nezůstalo. Výzkumníci se pak pustili do něčeho, co by se dalo nazvat rozborkou a sborkou. Rozebírali  čtyřbuněčná embrya, aby je poté  zase poskládali dohromady. Při sestavování se úmyslně dopouštěli chyb. Buďto dali k sobě  jen buňky z podélné kohorty a nebo zase sestavili embryo jen ze samých buněk původně příčné buněčné divize. Z obou typů takto chybně sestavených zárodků se  zárodky vyvíjely. Jenže!.  Zatímco embrya, jímž daly základ buňky z podélné části, se vyvíjela ve většině případů (z 85 %) v čase předpokládaném a normálním, tak embrya sestavená z buněk které zahájily příčné dělení, se jich v patřičném čase vyvíjelo jen  30 %. Tyto pokusy ukázaly, že savčí buňky v časném embryu nejsou totipotentní  v tom smyslu, jak jsme si totipotenci u buňky představovali. Realita je taková, že již ve stadiu čtyř buněčného embrya u buněk existují vývojové rozdíly. V zásadě tedy u savců platí, že po oplodnění se buňky dělí symetricky až do stadia 8 buněk. Pak dojde k asymetrickému dělení a k odeslání dvou generací dceřiných buněk do nitra embrya. Na to, co za tím vězí, není tak úplná shoda.

Za další zlomový poznatek v linkování osudu buněk embrya bývají označovány práce vědců z University of California. Výzkumný tým Lindy Demerové při studiu migrujících buněk zjistil, že se chovají poněkud stereotypně. Jde o asymetrii. Zdáme se být symetričtí, ale je to klam. Náš žaludek, srdce, játra mají levou a pravou stranu. Stejně tak náš mozek a konec konců i ruce a nohy. Rostoucí buňky poznávají svou levou a pravou stranu velmi záhy. I v tom mají jasno již po druhém dělení oplozeného vajíčka. V pozdější diferenciaci embrya pak hraje úlohu malý kousek specializované tkáně nacházející se na jeho spodní straně. Anatomové mu říkají ventrální hrbol. Jeho buňky jsou opatřeny ciliemi. Jejich pohyb odhalila vysokorychlostní kamera. Vrtěním 10 krát za sekundu vytváří něco jako mikroskopické čerpadlo, které selektivně dopravuje chemické posly přednostně na jednu stranu vznikajícího těla. Gradient chemických signálů by měl buňky informovat o tom, kde jsou a jak se mají vyvíjet. Velkou záhadou zůstávalo, podle čeho se buňky orientují v rostoucích orgánech.

Tým Demerové udělal pokus s kmenovými buňkami množenými v kultuře. Připravil jim překvapení v podobě různých povrchů. Kultivační nádoby pokryli střídavě ploškami s proteinovými substráty, které k buňkám byly buďto „vstřícné“, tedy adhezivní, nebo „nepřátelské“, jež je odpuzovaly. Mělo to simulovat podmínky, se kterými se buňky na svých cestách v našich tělech setkávají. Odpověď na otázku, zda se v rozhodujících fázích střetu s překážkou nějak rozhodují, jim měly dát dva pokusy. V jednom buňky nechali „kráčet po koberci“ tvořeném úzkými střídajícími se „vstřícnými a nepřívětivými“ proužky. V druhém jejich umělý podklad připomínal šachovnici. Vědci přiznávají, že na začátku těchto testů neměli nejmenší představu, jak se buňky zachovají. V obou případech (jak na proužkovaném, tak i na šachovnici) buňky překonávaly nastražená rozhraní otočením doprava o 20 stupňů. Trochu to prý připomíná vbíhání spartakiádních cvičenců na stadion. Ti také zpočátku drží směr, a když dospějí k určité metě, směr změní, aby se bez vzájemného handrkování rychle dostali na svou značku. Výsledkem buněčného množení tak jsou dlouhé paralelní řady tvořící diagonální pruhy, které postupně zaplní celou vymezenou plochu, a to by měl být základ organizace buněk do orgánů.

Předivem výběžků, podobným těm jaké mají neurony, se domlouvají i jiné buňky. Jejich princip a funkce je ale jiná. Na obrázku nejsou dendrity, ale cytonemy. Kredit T. Kornberg, UCSF. https://www.cvri.ucsf.edu/~kornberg/

Že buňky vnímají substráty, se kterými se dostanou do kontaktu, a že podle nich řídí směr své migrace, až tak velkým překvapením nebylo. Tím bylo až to, o jaký směr jde. Že buňky jsou to „pravičáci“ (stáčejí se vpravo). Reakcí na vodorovné naváděcí pruhy je buněčná reorganizace, jejímž výsledkem jsou také pruhy, ale diagonální. I tyto výsledky se podepsaly na tom, čemu se teď říká „klasické teorie“. Ta předpokládá, že směrování buněk ke specializaci se děje prostřednictvím mediátorů uvolňovaných buňkou do prostoru. Něco jako když vzkaz vyslaný do prostoru sousedky zaregistrují a podle něj se začnou chovat a specializovat.

Thomas Bill Kornberg je biochemik, který jako první vyčistil a charakterizoval DNA polymerázu II a DNA polymerázu III . V současné době se specializuje na signalizační procesy mezi buňkami. Je považován za jednoho z adeptů na Nobelovku (stejně jako jako jeho otec Arthur Kornberg, který ji obdržel za medicínu a bratr Roger D. Kornberg, který je nositelem Nobelovy ceny za chemii). Snímek je z přednášky o cytonemách - strukturách připomínajících dlouhé vysouvající se trubičky dlouhé až stonásobek délky buňky. Kredit: OIST from Onna Village, Japan, cc-by-2.0.

Cytonemy

Není to tak dávno, co výše popsaný „klasický model“, dostal pořádně na frak. Postaral se o to Tom Kornberg, který popsal u buněk tenké výběžky připomínající dlouhé vysouvající se trubičky dlouhé až stonásobek délky buňky. Rourovody umožňují buňkám přepravu působků zajišťujících mezi nimi specifickou komunikaci. Je to taková trubková tichá pošta. A nejen se sousedkami, ale jakýsi vzájemný dálkový multipokec. S tím, jak ho provozují neurony, nemá ale nic společného.

Principem komunikace výběžků neuronů je elektrický potenciál. Jejich výčnělky oplývají iontovými kanály. Ty umožňují měnit v nich koncentraci iontů, aby byla jiná než v okolním mezibuněčném prostoru. Nerovnováhou vzniká elektrický potenciál. Signál je předáván otevřením kanálových propustí a depolarizací membrány.

Rozprava prostřednictvím cytonem může dosahovat stonásobku délky buňky. Kredit T. Kornberg, UCSF. https://www.cvri.ucsf.edu/~kornberg/

V případě cytonem je princip zcela jiný. Přenos signálu není tak rychlý, ale může být komplexnější. Jeho základem nejsou elektrické impulzy (s uvolněním neurotransmiterů), ale jde o přepravu velkých molekul signálních proteinů.

Mezery

Konečně jsme dospěli k novince staré jen několik dnů. Jako vedoucí objevitelského kolektivu je u ní uveden profesor Sungrim Seirin-Lee. I když je zaměstnancem Institutu pro pokročilé studium lidské biologie, jde o poznatek získaný na háďátku (Caenorhabditis elegans). Teoreticky se buňky ve vyvíjejícím vajíčku (jakmile dosáhnou 4-buněčného stádia) měly formovat jedním z pěti pravděpodobných způsobů. Nejspíš jim to ale nikdo neřekl, a tak se natruc teoretickým předpokladům, buňky v reálu chovaly po svém. Nezpůsobně se formovaly do struktury, které se říká T-reverzní uspořádání (tři buňky se shlukují a vytvářejí mezeru ve tvaru T, s jednou buňkou v řadě na konci). Taková volba jde jak proti přirozené přilnavosti buněk, tak nerespektuje logiku uspořádání, které by vycházelo z daného poměru rozměru stran (délky a šířky) vajíčka.

Prostor v němž se buňky dělí (zde ve vejci háďátka) řídí výsledný vzor uspořádání buněk. O směrování buněk k jejich specializaci spíše než objem, který mají k dispozici, rozhoduje jeho tvar a vytváření mezer mezi buňkami. Kredit: Univerzita v Kjótu/Sungrim Seirin-Lee.

Japonci začali tušit, že v tom mohou hrát roli jemné nuance v obrysech vajíčka (ne tedy jen jeho šířka a délka). Aby si to ověřili začali svůj předpoklad testovat metodou tzv. „fázového pole“. Ukázalo se, že vajíčka nemají jednoduchý oválný tvar. A že právě tvar prostoru vymezený obalem vajíčka (geometrie zakřivení a mezery kolem jednotlivých buněk) jsou tím, co určuje vytváření buněčných vzorů.

Že tedy v budoucí specializaci buněk hrají roli mezery, si vědci ověřili také na geneticky upravených háďátkách, jejichž vajíčka na vnitřním prostoru pro množící se buňky neskrblila, ale lišila se tvarem vaječných obalů. Vědci nový poznatek přirovnávají k účinku zasedacího pořádku. To, kam nás u stolu posadí, také ovlivní jak budeme komunikovat a vycházet s ostatními. V embryu při „rozesazování“ buněk také není nic ponecháno náhodě.

Nejspíš tu máme dalšího hráče na poli buněčné polarizace, organizace a diferenciace. Ten z nejdříve poznaných vychází z pozic klasické teorie a rozhodující roli přisuzuje mediátorům uvolňovaným „jen tak do prostoru“. Jeho hendikepem je nepřesné směrování účinku a nutná pomoc vrtících se cilií. Ty směrují proud mezibuněčné tekutiny, aby vzkaz doputoval do správné lokality.

Druhým z hráčů, promlouvajícím vyvíjejícím se buňkám do duše, aby z nich rostlo to co má, nejsou vzkazy vržené jen tak volně do prostoru. Je jím precizní mechanismus úzce směrované dálkové komunikace prostřednictvím signálních molekul dopravovaných systémem „trubkovodů“.

Třetím do mariáše by podle Japonců měla být geometrie prostoru, respektive systém v něm rozestavených mezer. Tím, že se podílí na organizaci výsledného uspořádání buněk, rozhoduje i o jejich budoucí specializaci. Pravdou je, že vlastní podstatu tohoto jevu zatím vědci neznají. Nabízí se ale představa, že by tvar mezer mohl být tím, co komplikuje (nebo usnadňuje) propojování buněk cytonemovými „trubkovody“. Pokud by Seirin-Lee měl pravdu, tak by odhalené „promlouvání mezer“ do osudu buněk v embryu, mělo v nějaké míře platit i pro člověka, například při formování a specializaci buněk u rostoucích orgánů. Uvažuje se i o praktické aplikaci v podobě cílené specializace kmenových buněk.

Doporučená literatura

Sungrim Seirin-Lee et al, The extra-embryonic space and the local contour are crucial geometric constraints regulating cell arrangement, Development (2022). DOI: 10.1242/dev.200401

Thomas B Kornberg: Distributing signaling proteins in space and time: the province of cytonemes, Current Opinion in Genetics & Development. DOI: 10.1016/j.gde.2017.02.010

UCSF, Korberg laboratory. https://www.cvri.ucsf.edu/~kornberg/#

Kumar A. et al.: Whole-genome risk prediction of common diseases in human preimplantation embryos. Nature Medicine 28, 513–516, 2022, DOI: 10.1038/s41591-022-01735-0.

Turley P. et al.: Problems with using polygenic scores to select embryos. New England Journal of Medicine 385, 78–86, 2021, DOI: 10.1056/NEJMsr2105065.

Partridge, E., Davey, M., Hornick, M. et al. An extra-uterine system to physiologically support the extreme premature lamb. Nat Commun 8, 15112 (2017). https://doi.org/10.1038/ncomms15112

Aguilera-Castrejon, A., Oldak, B., Shani, T. et al. Ex utero mouse embryogenesis from pre-gastrulation to late organogenesis. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03416-3

Liu, X., Tan, J.P., Schröder, J. et al. Modelling human blastocysts by reprogramming fibroblasts into iBlastoids. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03372-y