Прорыв в генетическом анализе мышей

Чтобы понять роль отдельных генов, биологи уже 100 лет используют природный феномен: хотя геном во всех клетках организма в принципе одинаков, в отдельных клетках возникают мутации. Эти мутации отличают клетку от соседних, формируя «генетическую мозаику». Саймон Хиппенмейер, профессор IST Austria, усовершенствовал анализ генетической мозаики, сделав почти все гены в геноме мыши доступными для анализа на уровне единичных клеток.

Генетические мозаичные особи, содержащие клетки разных генотипов, естественным образом возникают у многоклеточных организмов. У людей развитие рака — когда одна клетка приобретает мутацию, позволяющую ей бесконтрольно делиться, — является ярким примером генетического мозаицизма. Но, наоборот, его можно использовать для изучения и понимания развития болезней.

Распространённый природный феномен для изучения генов

Один из экспериментальных подходов — мозаичный анализ с двойными маркерами (MADM). При нём гены мутируют в отдельных клетках, одновременно помечая мутировавшие клетки флуоресцентными цветами. «MADM — это технология маркировки, с помощью которой мы можем в принципе пометить клетки, мутантные по любому интересующему нас гену, в любом интересующем нас органе», — объясняет ведущий автор Хиппенмейер.

Изменяя ген в одной клетке и оставляя остальные «нормальными», учёные могут отслеживать судьбу этой мутировавшей клетки и понять роль и функцию изменённого гена. Этот подход особенно ценен для изучения жизненно важных генов: мутация такого гена во всех клетках организма повлияла бы на его здоровье и жизнеспособность. Но если мутировать ген лишь в нескольких выбранных клетках, организм в целом не пострадает, а учёные смогут на уровне отдельных клеток наблюдать за редкими мутантными клетками — их морфологией, развитием и функцией.

До сих пор с помощью техники MADM можно было мутировать и отслеживать только около 25% генов мыши, так как технология была ограничена тремя хромосомами. Теперь Хиппенмейер и его группа в IST Austria значительно расширили этот ресурс. Группа успешно разместила «маркировочную кассету MADM», необходимую для этой техники, на всех хромосомах мыши (кроме половых). Теперь более 96% генов можно мутировать и отслеживать на уровне единичных клеток с помощью MADM. «Теперь мы можем легко манипулировать почти каждым геном мыши и подвергать каждый ген высокоразрешающему фенотипическому мозаичному анализу», — объясняет Хиппенмейер.

Новые возможности для исследования рака

Хиппенмейер ожидает, что этот ресурс даст толчок изучению болезней и общих механизмов развития. «Теперь мы можем изучать гены, связанные с заболеваниями, которые возникают из одной мутировавшей клетки, ярчайшим примером которых является рак. С нашим ресурсом исследователи могут систематически изучать каждый известный ген-супрессор опухолей и его роль в развитии и эволюции рака, в том числе в комбинации с другими мутациями».

В последние годы исследователи использовали MADM в нескольких онкологических исследованиях, включая скрининг мишеней для лекарств. «Наша библиотека MADM — это не только способ анализа развития болезни, но и платформа для открытия лекарств и их мишеней», — добавляет Хиппенмейер. «Это не ограничивается раком; MADM также можно использовать для изучения и понимания болезней в других контекстах, включая нарушения нейроразвития и другие расстройства мозга, что является основным интересом нашей группы».

В своей статье в Cell Reports Хиппенмейер и его группа использовали новые ресурсы, чтобы расширить спектр применения MADM и пролить свет на интригующую биологическую проблему. Они нашли доказательства того, что сегрегация хромосом во время асимметричного клеточного деления следует неслучайному паттерну. «Наши результаты впервые in vivo указывают на то, что способ сегрегации родительских хромосом во время деления стволовой клетки может определять клеточную судьбу образующихся дочерних клеток. В более широком контексте эти выводы важны для нашего общего понимания биологии стволовых клеток и, возможно, механизмов прогрессирования рака».

В будущем Хиппенмейер, нейробиолог, будет использовать расширенные возможности MADM для изучения поведения стволовых клеток во время развития мозга и механизмов, обеспечивающих формирование мозга правильного размера. У людей нарушения размера мозга, такие как микро- и макроэнцефалия, связаны с эпилепсией и умственной отсталостью. «Теперь мы можем спросить, что идёт не так в стволовой клетке, из-за чего мозг развивается слишком большим или слишком маленьким. Мы ожидаем, что наши будущие результаты также могут лечь в основу перспективной репарации и регенерации мозга на основе стволовых клеток».