Учёные составили генетическую карту развития организма из одной клетки
Все многоклеточные организмы — от червя до человека и синего кита — начинают жизнь с одной клетки (яйцеклетки). Как из неё возникает целый организм, где каждая клетка появляется в нужном месте и в нужное время, оставалось не до конца понятным.
В трёх ключевых исследованиях, опубликованных 26 апреля в Science, учёные из Гарвардской медицинской школы и Гарвардского университета систематически проанализировали каждую клетку развивающихся эмбрионов рыбки данио-рерио и лягушки Xenopus tropicalis, создав «дорожную карту» того, как одна клетка строит целый организм.
Технологический прорыв
Используя технологии одноклеточного секвенирования (InDrops и Drop-Seq), исследователи проследили судьбу отдельных клеток в первые 12–24 часа жизни эмбриона. Они собрали данные об экспрессии генов для десятков тысяч клеток в разные моменты времени.
Для отслеживания родственных связей между клетками был разработан новый метод TracerSeq, использующий искусственные ДНК-штрихкоды. Также был создан вычислительный метод URD для реконструкции клеточных траекторий.
«Понимание того, как создаётся организм, требует знания того, какие гены включаются или выключаются, когда клетки принимают решения о своей судьбе, а не только статичной последовательности генома», — сказал Шон Мегасон.
Генетические «рецепты»
Анализ выявил каскады событий, переводящих клетки из ранних «универсальных» состояний в специализированные. Учёные:
- Определили редкие типы и подтипы клеток.
- Связали новые, высокоспецифичные паттерны экспрессии генов с различными клеточными линиями.
- Обнаружили, что некоторые типы клеток появляются гораздо раньше, чем считалось.
Эти данные представляют собой каталог генетических «рецептов» для генерации разных типов клеток.
«Имея эти наборы данных, если кто-то хочет создать определённый тип клеток, у него теперь есть рецепт шагов, которые эти клетки делали при формировании в эмбрионе», — отметил Аллон Кляйн.
Проверка на мутантах
В качестве доказательства концепции учёные использовали систему CRISPR/Cas9 для создания мутантных эмбрионов рыбки данио-рерио (с мутациями в генах chordin и one-eyed pinhead, важных для формирования оси тела).
Одноклеточный анализ подтвердил известные эффекты мутаций и позволил детально описать их влияние на развивающиеся клетки и ткани. Неожиданно оказалось, что на одноклеточном уровне экспрессия генов у мутантов и дикого типа была одинаковой, несмотря на потерю важного сигнального пути. Менялись пропорции разных типов клеток.
Неожиданные открытия и пересмотр концепций
Сравнение данных по рыбкам и лягушкам выявило сюрпризы, бросающие вызов традиционным представлениям:
- Гены-маркеры клеточного состояния часто не консервативны между видами. Белки могут быть почти идентичны, но паттерны их экспрессии — сильно различаться.
- Дифференцировка клеток может идти не только по «древовидной» структуре, но и образовывать «петли». Клетки одного итогового типа могут иметь разную историю развития.
- Обнаружены клетки в промежуточном состоянии принятия решения, которые могут активировать две разные программы развития или менять свою траекторию судьбы.
«Наличие клеток с множественной линией заставляет задуматься, определяется ли их окончательная судьба не только генетическими программами, но какими-то селективными силами или взаимодействием со средой», — сказал Марк Киршнер.
Значение для будущего
Созданные наборы данных и инструменты закладывают основу для будущих исследований в биологии развития и болезней (рака, нейродегенерации). Они служат «золотым стандартом» и отправной точкой для изучения того, как клетки принимают решения о своей судьбе.
«Сейчас у нас есть дорожная карта, но на ней нет указателей. Нам нужно понять сигналы, которые направляют клетки по определённым дорогам», — резюмировал Шон Мегасон.
Все три исследовательские группы сделали свои данные и инструменты доступными в виде интерактивных онлайн-ресурсов.