Использование хроматина в отдельных клетках выявляет траектории развития
Исследователи из EMBL и Вашингтонского университета показали, что как тип клетки, так и стадия её развития могут быть определены на основе измерений доступности хроматина в тысячах отдельных клеток. Они использовали этот подход, чтобы выяснить, как клетки в развивающихся эмбрионах регулируют свою идентичность, принимая решение, в какой тип клетки превратиться. Результаты опубликованы в журнале Nature 14 марта.
Этот новый и более систематический подход позволяет исследователям анализировать все различные типы клеток в эмбрионе одновременно и, что важно, с разрешением на уровне одной клетки. «Я ожидаю, что этот подход сэкономит лабораториям по всему миру много времени», — говорит Айлин Фарлонг, которая совместно руководила работой в EMBL в Гейдельберге с Джей Шендьюром из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле.
Ранее исследователю пришлось бы сначала изолировать различные типы клеток, а затем изучать хроматин каждого типа отдельными партиями. Этот длительный метод давал усреднённую картину по тысячам клеток данного типа. «Предыдущие исследования использовали различия в содержании РНК для идентификации типов клеток и их траекторий развития, — говорит Шендьюр. — Здесь же мы измеряем состояние хроматина в отдельных клетках, который содержит регуляторную программу, управляющую тем, как и когда РНК экспрессируются в каждой клетке».
«Впервые мы посмотрели на то, как регулируются эти сигнатуры экспрессии и, следовательно, направляют траектории отдельных клеток на ранних стадиях развития», — добавляет Фарлонг.
Роль хроматина
Хроматин — это плотно скрученная структура ДНК и белков, которая используется для хранения генетической информации внутри ядра клетки. Хроматин в человеческой клетке содержит около двух метров ДНК, упакованных в ядро диаметром менее одной сотой миллиметра. Регуляторные элементы, такие как промоторы и энхансеры, — это короткие участки ДНК, которые регулируют уровни экспрессии генов и, следовательно, производство белков, которые в конечном итоге делают типы клеток отличными друг от друга. Когда клетки используют определённый регуляторный элемент, хроматин раскручивается, и его содержимое становится доступным. Именно поэтому Фарлонг, Шендьюр и коллеги ожидали, что доступность хроматина прольёт свет на то, как клетка следует определённому пути развития, превращаясь, например, в высокоспециализированную мышечную или нервную клетку.
Наличие информации о доступности хроматина на уровне одной клетки позволило команде определить идентичность клетки и то, как она регулируется. Они провели эксперименты на эмбрионах плодовой мушки — очень важном модельном организме как для биологии развития, так и для моделей заболеваний, — но подход может быть применён к любому виду. Результаты выявили тысячи ранее неизвестных регуляторных элементов, которые используются только в подмножестве клеток, и предсказали, когда и где каждый элемент активен во время развития. Данные, доступные через удобный браузер, раскрывают множество различий между типами клеток и представляют собой мощный ресурс для будущих исследований.
Эта работа стала результатом сотрудничества Джеймса Реддингтона и Дэвида Гарфилда из группы Фарлонг в EMBL и Даррена Кусановича из группы Джея Шендьюра в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сиэтле. В перспективе исследовательская группа планирует расширить это исследование и интегрировать другие уровни информации об отдельных клетках для изучения регуляции решений о клеточной судьбе во время эмбриогенеза.