Получены эмбриональные стволовые клетки кур и семи других видов птиц

Птицы (особенно куры) — важные модельные организмы для биологии развития, иммунологии, вирусологии и эволюционных исследованиях. Многие фундаментальные процессы и человеческие заболевания изучались на курах. Однако недостаток генетических инструментов затрудняет работу с этими моделями.

Эмбриональные стволовые клетки (ES-клеток) мышей и крыс можно долгое время поддерживать в культуре, при этом они сохраняют плюрипотентность — способность дифференцироваться во все типы клеток эмбриона как в чашке Петри, так и после повторного введения в эмбрион с формированием химер. Это свойство позволило создать множество генетически модифицированных грызунов. Но получить ES-клетки птиц до настоящего времени не удавалось. Из бластодермальных клеток кур получали ES- подобные клетки, но они быстро теряли свойства при длительном культивировании. Это объясняли особенностями формирования их зародышевой линии. Группа ученых из США и Японии сосредоточилась на выделении бластодермальных клеток из куриных эмбрионов на ранней стадии (EGK.X) и подборе условий, позволяющих удерживать их в плюрипотентном состоянии.

Первые попытки показали, что использование ингибитора Wnt/β-катенинового сигналинга (IWR-1) и ингибитора протеинкиназы С (Gö6983) дает устойчивые колонии ES-клеток, но их долгосрочное культивирование оставалось проблемой. Авторы заметили, что присутствие желтка в среде повышает жизнеспособность клеток. Это навело их на мысль о наличии специфического фактора самообновления клеток в желтке. Им оказался белок овотрансферрин. В комбинации с ингибиторами этот фактор обеспечивал длительное культивирование куриных ES-клеток без потери их недифференцированного состояния.

Исследователи проверили, можно ли применить систему к другим видам птиц. Оказалось, что для культивирования клеток уток, индеек и фазанов необходимо добавить ингибитор рецепторов ALK (SB431542), а для перепелиных клеток критично еще и присутствие куриного LIF. Этот же подход сработал на клетках гусей и павлинов. Но у страусов добавление LIF, наоборот, вызывало дифференцировку, что демонстрировало видоспецифичность реакций. Тем не менее, модифицированная система позволила получать и поддерживать линии ES-клеток практически у всех протестированных видов.

Куриные ES-клетки экспрессировали ключевые транскрипционные факторы, формировали эмбриоидные тела и успешно дифференцировались в клетки всех трех зародышевых листков. Анализ транскриптома показал их близость к эпибласту раннего эмбриона на стадии EGK.X. Авторы также проводили функциональные тесты, в которых клетки интегрировались в эмбрионы кур, формируя химеры.

Важным дополнением стало тестирование возможностей системы CRISPR-Cas9. На линии куриных ES-клеток авторы показали, что редактирование генома проходит эффективно, а полученные клоны сохраняют стабильность и соответствуют заявленным фенотипам. Также они провели эксперименты с межвидовыми химерами: клетки перепела и гуся интегрировались в развивающиеся куриные эмбрионы, формировали ткани и даже вносили вклад в окраску перьев, что продемонстрировало функциональность их дифференциации.

Таким образом, исследователи впервые получили эмбриональные стволовые клетки кур и ряда других птиц. Эти клетки способны образовывать клетки зародышевой линии, участвовать в развитии химер и обладают высокой восприимчивостью к точному геномному редактированию. По мнению авторов, работа открывает путь к созданию трансгенных моделей птиц, разработке биореакторных систем для производства белков, а также к новым подходам в сохранении редких и исчезающих видов.

Активация двух генов заставила стволовые клетки собраться в эмбриоид