Самый детальный атлас эмбрионального развития на уровне отдельных клеток создан для плодовой мушки

Учёные создали наиболее полную и детальную карту эмбрионального развития на уровне отдельных клеток для любого животного на сегодняшний день, используя в качестве модельного организма плодовую мушку (Drosophila melanogaster).

Исследование, опубликованное в Science и проведённое под совместным руководством Эйлин Фарлинг из EMBL и Джея Шендура из Университета Вашингтона, использует данные более чем одного миллиона эмбриональных клеток, охватывающих все стадии развития эмбриона. Эта фундаментальная работа также помогает учёным исследовать, как мутации приводят к различным дефектам развития, и понять роль обширной некодирующей части генома, где содержится большинство мутаций, связанных с болезнями.

Ключевые преимущества модели: Эмбриональное развитие плодовой мушки происходит чрезвычайно быстро — всего за 20 часов после оплодотворения формируются все ткани, включая мозг, кишечник и сердце.

От «снимков» к непрерывной картине

Предыдущие исследования, включая работу 2018 года от тех же групп, давали лишь «снимки» клеточного разнообразия и регуляции в отдельные дискретные моменты времени, профилируя открытый хроматин (где находятся активные энхансеры — «переключатели» генов) в ~20 000 клеток.

Новый масштаб: В текущей работе профилирован открытый хроматин почти из миллиона клеток и РНК из полумиллиона клеток, взятых из перекрывающихся временных окон, охватывающих всё развитие эмбриона мушки.

Использование глубокого обучения для предсказания времени

Используя перекрывающиеся временные точки, исследователи применили машинное обучение (нейронную сеть) для предсказания точного времени развития для каждой отдельной клетки с разрешением в минуты.

Результат: Метод позволил уловить молекулярные изменения, происходящие очень быстро, что ранее требовало ручного отбора эмбрионов каждые три минуты.

Значение и перспективы

• Понимание развития: Работа даёт непрерывный взгляд на молекулярные изменения, движущие эмбриональным развитием.
• Изучение мутаций: Атлас служит эталоном для нормального развития, позволяя точно определить, когда и в каком типе клеток проявляется фенотип мутации (как было показано на примере мышц).
• Новый framework: Подход с использованием выборок из больших временных окон и предсказанием времени может быть применён к другим модельным системам: развитию эмбрионов млекопитающих, дифференцировке клеток in vitro или анализу последействия лекарств.

Планы на будущее: Команда намерена исследовать предсказательную силу атласа, чтобы в перспективе прогнозировать судьбу отдельных клеток in vivo после генетической мутации.