Международная команда выпустила первые панорамные атласы жизни в клетках

Международная команда учёных под руководством BGI-Research (Китай) опубликовала панорамные пространственные атласы жизни, исследующие клеточную динамику организмов на разных стадиях развития. Эти исследования предоставляют потенциально значимую новую информацию для лечения болезней, изучения развития и старения, а также улучшают понимание биологической эволюции.

В серии работ члены консорциума STOC использовали технологию пространственно разрешённой транскриптомики Stereo-seq, разработанную BGI-Research, для создания пространственно-временных клеточных карт мыши, плодовой мушки (Drosophila), рыбки данио-рерио и растения Arabidopsis. Работы демонстрируют, как Stereo-seq совершила прорыв в пространственном разрешении и панорамном поле зрения, позволяя анализировать распределение и расположение молекул и клеток in situ и во времени.

Статья "Пространственно-временной транскриптомный атлас органогенеза мыши с использованием массивов с паттернами ДНК-наноболов" опубликована в Cell. Три других исследования по Drosophila, рыбке данио и Arabidopsis опубликованы в Developmental Cell. Определение характеристик конкретных клеток в ткани имеет важное значение для понимания того, какие клетки являются причинами или индикаторами заболеваний, что потенциально может привести к прогрессу в исследованиях болезней человека.

"В прошлом для создания пространственно-временной карты требовались тысячи или даже десятки тысяч экспериментов. Теперь, с помощью Stereo-seq, разработанной нашими учёными, это можно сделать быстро и комплексно за один раз. Это прорывной рубеж в развитии технологий наук о жизни", — сказал доктор Чэнь Ао, руководивший разработкой технологии Stereo-seq в BGI-Research и являющийся первым автором статьи по мышиному атласу.

В консорциуме STOC (SpatioTemporal Omics Consortium) на сегодня сотрудничают более 80 учёных из 16 стран, включая специалистов из Гарвардского университета, Оксфордского университета, Массачусетского технологического института, Кембриджского университета, Каролинского института, Университета Западной Австралии, Института генома Сингапура и BGI.

Технология пространственной транскриптомики — это развивающаяся технология, решающая прежние проблемы идентификации характеристик отдельных клеток в биологической ткани. Она опирается на достижения секвенирования единичных клеток, поднимая его на новый уровень, позволяя учёным отслеживать точное местоположение клетки и её взаимодействие с соседями.

Для этого запатентованная технология BGI по амплификации ДНК-наноболов была объединена с технологией захвата РНК in situ, чтобы создать Stereo-seq (SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing). Технология способна достигать субклеточного разрешения в 500 нанометров (0.0000005 метра) в сочетании с панорамным полем обзора на сантиметровом уровне.

"Этот новый документ поднимает это на новый уровень, сочетая большое поле зрения... с очень высоким разрешением и очень глубокой транскриптомной глубиной прочтения", — отметил Патрик Максвелл, соавтор статьи по мышиному атласу.

Учёные использовали Stereo-seq для изучения раннего эмбрионального развития мышей, в частности с 9.5 по 16.5 день, когда развитие происходит особенно быстро. Stereo-seq создала Mouse Organogenesis Spatiotemporal Transcriptomic Atlas (MOSTA), который с разрешением на уровне одной клетки и высокой чувствительностью отображает кинетику и направленность транскрипционных изменений во время органогенеза мыши.

"Stereo-seq — это преобразующий прорыв в технологии пространственной транскриптомики и самая мощная технология в этой области наук о жизни на сегодняшний день", — заявил доктор Лю Лунци из BGI-Research.

Впервые учёные смогли создать серию высокоточных карт, показывающих точное расположение примерно 300 000 клеток из эмбриона на 16.5 день. Это позволило получить представление о молекулярной основе вариаций и дифференцировки клеток в развивающихся тканях мозга.

Успешное применение технологии Stereo-seq для изучения развития имеет серьёзные последствия для будущих геномных исследований болезней человека. Например, изучая ген, связанный с синдромом Робинова (врождённый дефект), исследователи обнаружили его высокую экспрессию в губах и пальцах мыши, что демонстрирует его важность в развитии этих структур.

Команда также провела аналогичные эмбриональные исследования на рыбке данио-рерио и создала 3D-модель клеточной карты Drosophila. Эти атласы открывают новые двери для изучения эмбрионального паттернинга и связанных молекулярных механизмов.

Применяя Stereo-seq к клеткам листа Arabidopsis, исследователи преодолели давние трудности в проведении пространственно разрешённых исследований единичных клеток растений. Технология может быть применена в исследованиях растений и селекции сельскохозяйственных культур для понимания ключевых генов, связанных с развитием семян, устойчивостью к засухе, жаре и засолению у таких культур, как рис, пшеница и кукуруза. Это может способствовать выведению высококачественных, устойчивых к стрессам сортов.