Анализ ранних решений о судьбе клеток в развитии
Исследователи из Института Бабрахама, Европейского института биоинформатики EMBL (EMBL-EBI), Института рака CRUK в Кембридже и Кембриджского института стволовых клеток Wellcome—MRC впервые провели одноячеечный эпигеномный анализ гаструляции — ключевого процесса раннего развития эмбриона. Учёные проанализировали более 1000 клеток эмбрионов мыши, чтобы понять события эпигенетического прайминга, предшествующие гаструляции, и решения о клеточной судьбе, которые они устанавливают. Результаты, опубликованные в Nature, раскрывают фундаментальные знания о процессах, программирующих судьбу клеток в раннем эмбрионе для генерации всех органов и тканей тела.
Процесс гаструляции превращает эмбрион из шара в основном недифференцированных клеток, устанавливая головно-хвостовую и передне-заднюю оси, а также три основополагающих клеточных слоя (зародышевых листка), каждый из которых ответственен за создание определённых частей эмбриона:
- Эктодерма даёт начало коже и нервной системе.
- Мезодерма определяет развитие таких клеточных типов, как кость, мышцы и соединительная ткань.
- Энтодерма впоследствии становится выстилкой пищеварительной и дыхательной систем и формирует органы, такие как печень и поджелудочная железа.
Исследователи использовали две передовые методики для сбора и анализа данных:
- scNMT-seq (single-cell Nucleosome, Methylome and Transcriptome sequencing) — метод, разработанный в Институте Бабрахама, позволил получить множественные биологические показатели из 1105 отдельных клеток эмбрионов мыши на разных стадиях развития, охватывающих гаструляцию. В каждой клетке оценивали активность экспрессии генов, метилирование ДНК и доступность хроматина.
- Multi-Omics factor Analysis (MOFA) — вычислительный метод, разработанный в EMBL-EBI. Этот подход машинного обучения позволил объединить три потока биологической информации, полученной от каждой отдельной клетки.
Ключевые результаты
- Три зародышевых листка показали различия во времени эпигенетических событий иерархическим образом.
- Клетки эктодермы были эпигенетически "подготовлены" на более ранней стадии развития. Это может объяснить существование предзапрограммированного пути развития по умолчанию, определяющего идентичность кожи и мозга.
- Более поздние эпигенетические события в клетках мезодермы и энтодермы, вероятно, активно отклоняют эти клетки от этого пути по умолчанию, делая их восприимчивыми к сигналам, способствующим другим клеточным идентичностям.
- Диверсификация трёх слоёв гаструляции в основном была обусловлена эпигенетическими событиями, затрагивающими специфичные для зародышевого листка энхансеры.
Значение и перспективы
- Исследование даёт новое представление о том, как устанавливается клеточная судьба, и развивает понимание роли эпигенома в определении клеточных обязательств на разных стадиях развития.
- Новый исследовательский проект Human Developmental Biology Initiative, финансируемый Wellcome, будет использовать те же одноячеечные методы для анализа клеток эмбрионов человека, чтобы выяснить, работают ли аналогичные эпигенетические механизмы контроля у людей.
- Одноячеечный мульти-омиксный анализ, вероятно, окажет значительное влияние на здравоохранение в будущем, что отражено в общеевропейской исследовательской инициативе LifeTime.