Атлас пространственной экспрессии генов мыши: новые данные о клеточной судьбе

Высокодетальные карты экспрессии генов объединили с данными одноклеточной геномики, чтобы создать новый ресурс для изучения того, как клетки приобретают разные идентичности в ходе развития млекопитающих. Пространственный атлас мыши (Spatial Mouse Atlas) — результат сотрудничества исследователей из Европейского института биоинформатики EMBL (EMBL-EBI), Института Бабрахама, Кембриджского института стволовых клеток, Кембриджского института исследования рака CRUK, Калифорнийского технологического института (Caltech) и их коллег.

Решения о клеточной судьбе определяют, как клетки развиваются в разные типы. Развитие различных клеточных типов в конечном итоге приводит к формированию всех различных тканей организма. Этот сложный процесс включает множество сигналов от окружающих тканей, а также механические ограничения, эпигенетические модификации и изменения в экспрессии генов. Эти факторы создают уникальные клеточные и тканевые типы, которые в процессе органогенеза дают начало всем основным органам.

Исследования с использованием одноклеточного РНК-секвенирования (scRNAseq) позволили понять, как молекулярный ландшафт клеток эмбриона мыши меняется на ранних стадиях развития. Однако методы scRNAseq требуют диссоциации (разделения) клеток эмбриона, что означает потерю пространственной информации.

Данное исследование, опубликованное в Nature Biotechnology, объединяет данные scRNAseq с пространственно разрешёнными профилями экспрессии, чтобы создать атлас экспрессии генов с одноклеточным разрешением для всего эмбриона.

Объединение вычислительных и визуальных данных

«С методологической точки зрения, я считаю это одним из самых впечатляющих примеров интеграции пространственно разрешённой транскриптомики и одноклеточного секвенирования для создания нового ресурса для научного сообщества», — сказал Джон Мариони, руководитель исследований в EMBL-EBI. — «Это также работа, на которую мы можем опереться, чтобы включить больше целевых генов на разных стадиях развития».

Исследователи провели это исследование на эмбрионах мыши стадии 8–12 сомитов. Эта стадия развития представляет особый интерес, потому что именно тогда клетки внутри эмбриона начинают дифференцироваться, то есть становиться определённым типом клеток. Исследователи применили метод визуализирующей одноклеточной транскриптомики — seqFISH (разработанный коллегами из Caltech) — для детекции 387 целевых генов. Они объединили эту информацию с данными scRNAseq, чтобы создать атлас клеточных типов, обнаруженных на этой стадии развития мыши.

«Для этого исследования нам нужно было обработать, проанализировать и интегрировать множество наборов данных, чтобы сопоставить идентичности клеток с пространственной референсной моделью», — говорит Шила Газанфар, научный сотрудник Кембриджского института CRUK. — «Этот новый подход означает, что мы можем взять срез эмбриона и, по сути, "раскрасить" клеточные типы разными цветами, чтобы поместить клеточный тип в контекст анатомии эмбриона с одноклеточным разрешением».

Новое понимание развития мозга и кишечника

Тим Лохофф, аспирант Института Бабрахама и ведущий автор статьи, отметил: «Ранее исследователи могли измерять профили экспрессии генов эмбриональных клеток. Однако долгое время технологической проблемой было связать эти профили с их исходным пространственным расположением. Наша работа смогла преодолеть эту проблему, предоставив критическую информацию о том, как пространственное окружение клеток критически важно для развития органов, и открыв новые направления исследований».

Исследователи смогли использовать созданный ими Пространственный атлас мыши, чтобы получить новые данные о развитии мыши. Они смогли обнаружить ранее не описанную информацию об экспрессии генов в развивающемся мозге и кишечной трубке мыши. Этот новый подход обеспечивает надёжную основу для будущих исследований пространственной экспрессии генов как у мыши, так и, потенциально, в других биологических системах.

«Это знаковое исследование уже позволило нам определить некоторые молекулярные события, которые приводят к развитию органов у мышей. Предоставив более детальную общую для млекопитающих "схему" развития, это исследование может помочь продвинуть возможность генерирования клеточных типов "в чашке" для регенеративной медицины», — говорит профессор Вольф Райк, руководитель группы в исследовательской программе по эпигенетике Института Бабрахама.