Шум помогает клеткам принимать решения: исследователи раскрывают важность генетического шума в развитии

Случайные различия между клетками на ранних стадиях развития могут быть ключом к формированию различных типов клеток организма. Это показало новое исследование группы учёных под руководством профессора Вольфа Райка. Все клетки — мозга, крови, кожи, кишечника — имеют уникальные и жизненно важные функции, но начинают они одинаково. Клетки становятся разными в результате длинной последовательности биохимических «выборов», совершаемых до рождения. Для здоровья организма эти выборы должны обеспечивать правильное количество клеток каждого типа.

Учёные из Института Бабрахама, EMBL-EBI и Института стволовых клеток Wellcome Trust и MRC изучили генетику стволовых клеток эмбрионов на самых ранних стадиях развития. Обычно клетки одного типа имеют сходные паттерны активности генов — одни и те же гены включены или выключены. Однако это исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, показывает, что когда клетки начинают специализироваться, их генная активность становится более «шумной» — каждая клетка начинает включать или выключать разные группы генов.

Результаты, сфокусированные на двух ключевых точках выбора в начале формирования эмбриона, демонстрируют, что в момент принятия решений о дальнейшей судьбе клеток вариативность активности генов возрастает. Один и тот же ген может быть включён в одних клетках и выключен в других. По случайности этот шум делает одни клетки более склонными стать одним типом, а другие — альтернативным.

Со-первый автор работы Хишам Мохаммед из Института Бабрахама отметил: «Наши анализы показывают, что повышенный транскрипционный шум в двух ключевых точках раннего развития совпадает с решениями о клеточной судьбе. После этих решений клетки становятся высоко синхронизированными и быстро растут».

Процесс, в котором одинаковые клетки становятся разными, называется нарушением симметрии. Это первое исследование, в котором техника single-cell sequencing (секвенирования единичных клеток) была применена для изучения индивидуальных клеток эмбрионов мыши на ранних стадиях. Предыдущие работы анализировали только группы клеток, что не позволяло исследовать различия между отдельными клетками в процессе нарушения симметрии.

Со-старший автор, профессор Дженнифер Николс, сказала: «Наши данные позволяют изучать активность генов в отдельных клетках с беспрецедентной точностью. Эта детализация позволила нам наблюдать существенные различия между клетками. Регуляция шумной генной активности во время развития может быть ключевой частью процесса принятия клетками решений о своём будущем».

Ведущий вычислительный биолог работы, доктор Джон Мариони из EMBL-EBI, добавил: «Осмысление данных, генерируемых в таких исследованиях, возможно только благодаря постоянному прогрессу в области вычислительной биологии. При сборе более 10 000 точек данных о каждой отдельной клетке современные компьютеры необходимы для достижения уровня чувствительности, требуемого в этом типе исследований».