Запись истории каждой клетки в реальном времени с помощью эволюционирующих генетических штрихкодов

Новый метод, разработанный учеными из Института Висса и Гарвардской медицинской школы (HMS), позволяет отследить происхождение каждой клетки в теле мыши, восходящее к одноклеточной зиготе. Метод использует эволюционирующие генетические штрихкоды, которые активно записывают процесс клеточного деления в развивающихся мышах.

Исследование опубликовано в Science как статья First Release.

Как работают генетические штрихкоды

  • Система основана на специальных последовательностях ДНК, кодирующих модифицированную РНК — homing guide RNA (hgRNA).
  • В присутствии фермента Cas9 (из системы CRISPR-Cas9) hgRNA направляет его к собственной последовательности hgRNA в геноме, которую Cas9 разрезает.
  • При репарации разреза в последовательность hgRNA могут вноситься мутации. Эти мутации накапливаются со временем, создавая уникальный штрихкод для каждой клеточной линии.

Реализация в мышах

  • Исследователи создали «мышь-основателя» с 60 различными последовательностями hgRNA в геноме.
  • Ее скрестили с мышами, экспрессирующими белок Cas9. У полученных зигот мутации в hgRNA начали накапливаться вскоре после оплодотворения.
  • Каждая hgRNA может производить сотни мутантных аллелей; коллективно они могут генерировать уникальный штрихкод, содержащий полную историю развития каждой из ~10 миллиардов клеток взрослой мыши.

Применение и результаты

Метод позволил разрешить давний вопрос об эмбриональном развитии мозга: что формируется раньше — передне-задняя ось или лево-правая?

  • Сравнив штрихкоды hgRNA в клетках из разных частей мозга двух мышей, ученые обнаружили, что нейроны левой стороны каждого региона мозга более тесно связаны с нейронами правой стороны того же региона, чем с нейронами левой стороны соседних регионов.
  • Этот результат указывает, что передне-заднее паттернирование мозга возникает раньше, чем лево-правое паттернирование в развитии центральной нервной системы.

Значение и перспективы

  • Метод позволяет реконструировать полное дерево клеточной линии, начиная с финальной стадии развития организма и вплоть до его одноклеточной стадии.
  • Исследователи сейчас сосредоточены на улучшении техник считывания, чтобы анализировать штрихкоды отдельных клеток и восстанавливать записанное родословное дерево.
  • Этот подход обещает значительно расширить понимание процесса развития от одной клетки до взрослого организма и может дать новые представления о возникновении таких заболеваний, как рак.
2018-08-09