Безпрецедентное исследование виртуального эмбриона на уровне одной клетки

Как из одной клетки (яйцеклетки) формируются все типы клеток организма? Это один из фундаментальных вопросов биологии. Полное понимание генетических программ, которые инструктируют отдельные клетки формировать разные типы для построения эмбриона, до сих пор отсутствовало.

Исследователи из EMBL Heidelberg решили эту проблему, создав «виртуальный эмбрион» морского организма Phallusia mammillata (асцидии). Этот вид был выбран, потому что он родственен позвоночным, а каждый эмбрион имеет одинаковое число клеток.

Эта модель описывает экспрессию генов и морфологию каждой отдельной клетки эмбриона на каждом делении на ранних стадиях развития — от одной клетки до стадии в 64 клетки. К этому моменту уже определены судьбы будущих нервной трубки, мозга, половых клеток, предшественников клеток крови и мышц. Это первое полное описание раннего развития с учётом каждой клетки в пространстве и времени.

Для создания атласа учёные объединили методы высокоразрешающей одноклеточной транскриптомики и микроскопии светового листа.

Ключевые выводы:

• По экспрессии генов клетки можно определить её пространственное положение и историю.
• Регуляция экспрессии генов очень точна внутри одного эмбриона.
• Наблюдаемые различия между отдельными эмбрионами объясняются вариациями во времени развития.
• Экспрессия генов оказалась высоко воспроизводимой и скоординированной между клетками одного эмбриона, что противоречит представлению о ней как о «шумном» процессе.

Эта работа представляет собой прорыв в развивающейся области геномики развития. Следующая цель — перенести этот подход на млекопитающих, у которых число клеток на порядки больше.