Определение эволюционного возраста отдельных типов клеток проливает свет на развитие животных

Исследовательская группа под руководством доктора Чаогу Чжэна из Школы биологических наук Гонконгского университета (HKU) определила эволюционный возраст разных типов клеток у нематоды Caenorhabditis elegans. Используя данные одноклеточной транскриптомики и усовершенствованную филостратиграфию, команда оценила транскриптомный возраст отдельных клеток, то есть эволюционное происхождение клеток на основе возраста экспрессируемых в них генов.

Результаты, опубликованные в PNAS, проливают свет на клеточную основу «песочных часов» в развитии животных, показывают вариацию транскриптомного возраста разных типов клеток и дают представление об их вкладе в адаптацию и эволюционные взаимосвязи.

От целого организма к анализу отдельных клеток

Ранее молекулярные исследования показали, что в середине эмбриогенеза у животных экспрессируется самый древний транскриптом (используются самые консервативные, «старые» гены), что соответствует «узкому горлышку» в модели песочных часов. Однако эти исследования не могли определить возраст транскриптома для отдельных клеток или тканей.

Чтобы восполнить этот пробел, команда проанализировала транскриптомный возраст C. elegans на уровне отдельных клеток с помощью РНК-секвенирования.

Ключевые открытия

• Подтвержден период самого древнего транскриптома в середине эмбриогенеза C. elegans, начинающийся после гаструляции.
• В ранних эмбрионах некоторые клетки используют более старые гены, чем другие:
  • Клетки будущей зародышевой линии (герминативные) — старше, чем клетки соматических тканей.
  • Клетки будущего энтодерма (пищеварительный тракт) — старше, чем другие типы клеток.
• Среди дифференцированных клеток мышечные клетки обладают самым древним транскриптомом.
• Вариация транскриптомного возраста между типами клеток мала на ранних стадиях и сильно возрастает на поздних эмбриональных и личиночных стадиях по мере дифференцировки. Например, кожа вносит вклад в повышение возраста транскриптома у поздних эмбрионов.
• Анализ 128 типов нейронов нервной системы C. elegans показал, что определенная группа хемосенсорных нейронов и их нижележащие интернейроны экспрессируют очень молодой транскриптом. Это может быть связано с недавней адаптацией, так как многие молодые гены связаны с восприятием факторов окружающей среды.
• На основе вариации транскриптомного возраста нейронов и возраста регулирующих их развитие генов (регуляторов клеточной судьбы) была выдвинута гипотеза об эволюционной истории некоторых из этих 128 типов нейронов.

Значение исследования

«На примере C. elegans мы показали, как транскриптомный возраст на уровне одной клетки может дать представление о клеточной основе инноваций в развитии и помочь понять функциональное разнообразие и эволюционное происхождение типов клеток», — сказал доктор Фуцян Ма, первый автор статьи.

Доктор Чжэн отметил: «Это исследование служит примером использования передовой одноклеточной транскриптомики для изучения давних проблем эволюционной биологии». Определение эволюционного возраста отдельных типов клеток на транскриптомном уровне может открыть новые направления исследований и углубить понимание генетических механизмов эволюции видов.