Молекулярный «атлас» развития животного

Исследователи из Пенсильванского университета в статье в журнале Science сообщают о первой детальной молекулярной характеристике того, как меняется каждая клетка в процессе эмбрионального развития животного. Работа, проведённая под руководством лабораторий Джона И. Мюррея из Медицинской школы Перельмана, Джунхёна Кима из Школы искусств и наук и Роберта Уотерстона из Вашингтонского университета (UW), использовала новейшие технологии в области биологии одиночных клеток для профилирования более 80 000 клеток эмбриона нематоды Caenorhabditis elegans.

C. elegans — животное, которое вылупляется, имея всего 558 клеток в теле. Каждая клетка в многоклеточном организме происходит путём деления из одной оплодотворённой яйцеклетки, образуя «родословное древо клеток», которое показывает историю делений каждой клетки и описывает их родственные связи. Лауреаты Нобелевской премии Сидней Бреннер, Х. Роберт Хорвиц и Джон Салстон установили это древо для C. elegans более 40 лет назад, показав, что каждое животное развивается через идентичные паттерны клеточных делений.

Чтобы детальнее изучить процесс развития, команды из Пенсильванского и Вашингтонского университетов охарактеризовали молекулярный уровень, измерив транскриптом — все РНК в клетке — отдельных клеток во время развития с помощью подхода одноклеточной геномики. Эти методы позволяют определить, какие гены экспрессируются в каждой из десятков или сотен тысяч клеток, и идентифицировать редкие типы клеток на основе экспрессии схожих наборов генов. Однако в таких исследованиях сложно понять, идентифицированы ли все типы клеток и как идентифицированные клетки связаны между собой через деление.

Ведущие авторы, аспиранты Джонатан Пакер (UW) и Цинь Чжу (Пенн), разработали сложные программы и алгоритмы анализа данных, чтобы сопоставить изменения в транскриптоме с временной последовательностью в древе клеточной линии. Это раскрыло детальную динамику молекулярных изменений, необходимых для формирования всего тела C. elegans.

Полученный набор данных станет мощным инструментом для тысяч лабораторий, изучающих C. elegans как модельный организм, и подчеркивает ограничения использования только одноклеточной геномики для вывода связей между клетками у других видов.

Исследование помогает раскрыть фундаментальные механизмы специализации клеток во время развития. Например, учёные показали, что клетки с очень разной историей происхождения могут быстро сходиться к одному молекулярному состоянию, так что их уже невозможно отличить. Также было обнаружено, что во время дифференцировки некоторые клетки претерпевают поразительно быстрые изменения в своих транскриптомах.

Кроме того, эта работа внесёт вклад в приложения в регенеративной медицине и клеточной инженерии, такие как контроль процесса клеточной дифференцировки при использовании собственных клеток пациента для терапии.