Картирование развития типов клеток и тканей

Исследователи разработали технику, позволяющую одновременно изучать на пространственном уровне и на уровне всего генома эпигенетические механизмы, лежащие в основе развития тканей. Это прорыв с множеством научных и медицинских применений.

Хотя современные технологии позволяют изучать эпигенетическую информацию в массе ткани, а недавние прорывы распространяют это на уровень отдельных клеток, в настоящее время невозможно визуализировать её непосредственно в ткани с клеточным разрешением. Это критическое препятствие, поскольку существует сильная связь между организацией клеток в ткани и их функцией. В новом исследовании, опубликованном в Science, команда разработала технику, впервые позволившую пространственное картирование эпигенетических регуляций, связанных с развитием и болезнями. Исследованием руководил Ронг Фань, профессор биомедицинской инженерии Йельского университета и патологии Йельской школы медицины, в сотрудничестве с исследователями из Каролинского института в Стокгольме.

Все мы начинаем с одного генетического материала в одной клетке, но она быстро размножается в триллионы разных клеток. Каждая клетка имеет тот же геном, но разница заключается в том, какие гены были активированы или подавлены. Различные химические эпигенетические модификации в эмбрионе направляют развитие — включая одни гены и выключая другие — и позволяют формировать разные органы. Эпигенетика регулирует экспрессию этих генов. В исследовании учёные сосредоточились на одной из наиболее значимых эпигенетических изменений — модификациях гистонов.

«Какие основные механизмы контролируют типы клеток и развитие тканей? — сказал Фань. — Это то, что мы теперь можем "увидеть" с помощью этой новой технологии — spatial-CUT&Tag. Впервые мы можем увидеть, какие модификации гистонов контролируют экспрессию генов на уровне всего генома непосредственно в ткани, и как они это делают — это добавляет совершенно новое измерение в эту развивающуюся область пространственной биологии».

Другие технологии позволяют профилировать эпигенетические модификации в отдельных клетках, но не в их тканевом контексте. Возможность отслеживать их в полном контексте даёт бесценное представление об организации клеток, развитии тканей и болезнях. Соавтор Гонсалу Каштелу-Бранку, профессор биологии глиальных клеток Каролинского института, отметил, что технология предоставляет информацию о том, какие гены в срезе ткани включены и выключены.

«Это даёт много дополнительной информации — например, почему нервная клетка является нервной клеткой? — сказал он. — Раньше можно было проверять клетку за клеткой, но тогда вы теряли всю информацию о том, где находились клетки и как они могли взаимодействовать друг с другом. С этой технологией у нас теперь есть и пространственное расположение. Более того, вы можете определить в этом месте всю эту эпигеномную информацию, что является одним из действительно удивительных аспектов технологии».

В частности, исследователи изучили модификации хроматина — материала, который обволакивает ДНК каждой клетки и контролирует доступ к ней — в эмбриональном и постнатальном мозге мышей. Было показано, что специфические модификации гистонов могут контролировать разные корковые слои мозга на эмбриональной стадии, но было неясно, будут ли они выполнять ту же функцию после рождения.

«Так что теперь мы впервые можем увидеть эти эпигенетические особенности непосредственно в постнатальном мозге, — сказал Фань. — Мы можем сказать: "Вау, на самом деле эти эпигенетические особенности организованы в полосы, которые соответствуют кортикальным слоям мозга мыши". Это означает, что они могут контролировать или поддерживать формирование этих слоев».

Исследователи создали свою технику, разработав микрофлюидные устройства с несколькими микроканалами, которые используются для доставки ДНК-штрихкодов к геномной ДНК, где присутствуют эпигенетические модификации. Ведущий автор исследования Яньсян Дэн, постдок из лаборатории Ронга Фаня, пояснил, что затем исследователи могут извлечь геномную ДНК и восстановить пространственное расположение с помощью вычислительных методов. Если на геномной ДНК есть модификация гистонов, с ней ассоциируется меченый ДНК-штрихкод, что позволяет исследователям локализовать эпигенетическую информацию в ткани.

Техника spatial-CUT&Tag добавляет дополнительное измерение к технике CUT&Tag, разработанной в последние годы, позволяя исследователям получать чрезвычайно точную информацию, пиксель за пикселем. Технология позволяет исследователям разместить идентификатор — как координаты GPS — на каждой клетке в срезе ткани.

«С этим вы можете восстановить карту ткани, — сказал Каштелу-Бранку. — Это возможность поставить координату для каждого отдельного пикселя в этом срезе ткани, а затем вы можете вернуться и сказать: "Хорошо, вот где присутствует эта модификация гистонов, в этом конкретном гене, в этой конкретной клетке или группе клеток"».

В долгосрочной перспективе исследовательская группа надеется, что технология будет использоваться для лучшего понимания развития болезней.

«Эпигенетические препараты — это то, что сейчас появляется, поэтому потенциально мы можем разрабатывать лекарства, нацеленные на эти эпигенетические механизмы, — сказал Фань. — Наличие инструментов для понимания эпигенетического происхождения различных болезненных состояний может открыть совершенно новые терапевтические возможности».

Исследователи подчеркнули, что технология имеет широкий спектр применений.

«Это отправная точка, и она позволит сделать много других подобных открытий на разных тканях», — сказал Каштелу-Бранку.