История клеток, рассказанная через MEMOIR
Исследователи разработали новый метод для чтения истории и «генеалогических деревьев» клеток. Техника, названная MEMOIR (Memory by Engineered Mutagenesis with Optical In situ Readout), может записывать жизненную историю клеток животных — их родственные связи, паттерны коммуникации и влиятельные события, которые их сформировали.
«MEMOIR позволяет клеткам записывать свою историю в своих геномах, а нам — считывать эту информацию с помощью современных методов микроскопии», — говорит Лонг Кай, доцент химии в Caltech и один из руководителей исследования, опубликованного 21 ноября в журнале Nature. Соавторами статьи являются постдоки Кирстен Фрида и Саханд Хормоз, а также научный сотрудник Джеймс Линтон.
«Обычно мы можем видеть состояние клетки только в тот момент, когда на неё смотрим, — говорит со-руководитель исследования Майкл Эловиц, профессор биологии и биоинженерии в Caltech. — Но что мы действительно хотим знать, так это история этой клетки. Кто её сёстры и кузены? С кем она разговаривала и когда?»
Новое исследование служит доказательством концепции, демонстрируя, что MEMOIR может считывать историю клеток мышей. В конечном итоге метод поможет в понимании развития тканей и организмов, а также в изучении аномального развития больных тканей, таких как опухоли.
Восстановление клеточных генеалогических деревьев
Подобно тому, как биологи используют ДНК для отслеживания родословных людей и других видов животных, молекулярные биологи могут использовать ДНК для отслеживания родословных клеток. По мере развития организмов их клетки делятся и размножаются, порождая новые поколения. Молекулярные биологи разрабатывают различные методы для восстановления родословных клеточных семей.
Два новых мощных инструмента помогают в этой цели. Первый — редактирование генома (CRISPR), позволяющее изменять генетический код развивающегося организма в любом заданном месте. Любое изменение, записанное в геноме одной клетки, передаётся последующим поколениям. Изменение, произошедшее раньше в развитии организма, появится во многих его клетках, а более позднее — в меньшем количестве. Анализируя паттерны редактирования ДНК, исследователи могут идентифицировать общих предков клеток и выяснить, как они связаны.
«Историки могут определить происхождение средневековых рукописей по ошибкам, которые распространяли монахи-переписчики в аббатствах, — говорит Кай. — Таким образом, распространённые ошибки весьма информативны об истории текстов и, в нашем случае, клеток».
Второй инструмент — seqFISH (sequential single molecule Fluorescence In Situ Hybridization), разработанный Каем для определения активности генов в отдельной клетке. В недавней статье в Neuron команда Кая показала, как с помощью этой техники можно определить уровни экспрессии более 200 генов в одной клетке, не извлекая её из естественного окружения в организме.
В новом исследовании учёные объединили оба инструмента: метод seqFISH использовали для отслеживания изменений, внесённых в геном с помощью CRISPR.
«Ключевая идея заключалась в разработке особого элемента хранения геномной памяти, аналогичного компьютерному биту, который CRISPR может переключать между двумя разными состояниями, — говорит Эловиц. — Это можно различить, просто посмотрев на клетки с помощью seqFISH и определив, имеют ли они одинаковые CRISPR-редактирования».
Запись клеточных «разговоров»
Эта система может использоваться не только для получения информации о клеточной родословной, но и о событиях, произошедших с клетками в прошлом — когда они получали сигналы друг от друга или меняли один тип клеток на другой. Например, при развитии опухоли некоторые клетки могут получать разные молекулярные сигналы, запуская различные пути развития. Одна клетка может стать метастатической и мигрировать, а другая останется на месте. Возможность отслеживать, как сигналы в прошлом повлияли на судьбу клетки в настоящем, может дать новое представление о развитии опухоли во времени и пространстве.
«Технология обещает нам доступ к информации внутри клетки, которая раньше была нам недоступна, — говорит Линтон. — Потенциально MEMOIR может записывать активность нескольких сигнальных путей в отдельных клетках, показывая, как пути работают вместе, влияя на решения клетки, например, когда нервная стволовая клетка дифференцируется в нейрон».
В текущем исследовании учёные проследили историю эмбриональных стволовых клеток мыши на протяжении трёх поколений. В будущем они надеются отследить ещё больше поколений и в конечном итоге узнать жизненные истории развития животных, рассказанные через клеточные мемуары.