"Как во время эмбрионального развития из яйцеклетки, которая представляет собой всего лишь одну клетку, образуется множество различных типов клеток в организме? Это один из самых фундаментальных вопросов в биологии", - объясняет доктор Пьер Невё, группа руководителем EMBL Heidelberg, изложив обоснование исследования, которое он и его группа провели в сотрудничестве с группой доктора Ларса Хуфнагеля.
Хотя ответ на этот вопрос важен для понимания того, как формируются многоклеточные организмы, изучение механизмов развития, управляющих этой клеточной диверсификацией на уровне одной клетки, всего генома и всего эмбриона, является сложной задачей.«До сих пор нам не хватало всестороннего понимания программ экспрессии генов. Они инструктируют отдельные клетки формировать различные типы клеток, необходимые для построения эмбриона», - объясняет д-р Ханна Сладичек, первый автор исследования, бывший постдоктор в EMBL Heidelberg. а сейчас в Медицинской школе Падуанского университета. Несмотря на недавние достижения в этой области, полное представление об эмбриональном развитии с учетом каждой отдельной клетки в пространстве и времени до сих пор не получено.
Исследователи EMBL смогли решить эту проблему, сконструировав «виртуальный эмбрион» Phallusia mammillata - вида морского организма, известного как асцидия, который обитает в Средиземном море и Атлантическом океане. Этот вид был выбран в качестве модельной системы, потому что он связан с позвоночными, и каждая особь имеет одинаковое количество клеток, что упрощает объединение наблюдений за многими образцами.
Этот виртуальный эмбрион описывает экспрессию генов и морфологию каждой отдельной клетки эмбриона при каждом клеточном делении на ранних стадиях развития, показывая эволюцию от одной клетки до стадии с 64 клетками. После этих первых семи клеточных делений судьба будущего нервного шнура, головного мозга, зародышевых клеток, предшественников клеток крови и мышц уже определена. Это делает его первым полным описанием раннего развития с учетом каждой отдельной клетки эмбриона. Он описывает как экспрессию генов - то, как выражается и проявляется генетическая информация клетки, - так и пространственное положение. Чтобы создать этот исчерпывающий атлас, исследователи объединили транскриптомику отдельных клеток с высоким разрешением и визуализацию световых листов.
«Наша модель показывает, что можно узнать местонахождение и историю отдельной клетки, анализируя экспрессию ее генов», - говорит Неве. «Кроме того, мы обнаружили, что хотя регуляция экспрессии генов внутри эмбриона очень точна, различия во времени развития объясняют наблюдаемые различия между отдельными эмбрионами».
Экспрессия генов, как правило, считается шумным процессом, другими словами, демонстрирующим элемент случайности, однако новые результаты показывают, что он удивительно воспроизводим и скоординирован между клетками данного эмбриона.«Как достигается такая координация? Как координируется эмбрион между двумя зеркально-симметричными половинами эмбриона?» - говорит Невё, выделяя некоторые из новых вопросов, на которые ученые хотели бы ответить.
"Наши исследования представляют собой скачок вперед в развивающейся области геномики развития", - говорит Хафнагель. «Теперь, когда мы работали с организмом с небольшим количеством клеток, конечно, будет очень интересно распространить нашу работу на млекопитающих, у которых гораздо больше клеток!»