В статье, опубликованной в журнале Science на этой неделе, исследователи Пенна сообщают о первой подробной молекулярной характеристике того, как каждая клетка изменяется во время эмбрионального развития животного. В работе, возглавляемой лабораториями Джона И. Мюррея из Медицинской школы Перельмана, Джунхён Ким из Школы искусств и наук и Роберта Уотерстона из Вашингтонского университета (UW), использовались новейшие технологии в новой области одиночных клеток. биологии для изучения более 80 000 клеток эмбриона нематоды Caenorhabditis elegans.
«За последние несколько лет новые методы геномики отдельных клеток произвели революцию в изучении развития животных», - говорит Мюррей. «В нашем исследовании используется тот факт, что эмбрион C. elegans имеет очень небольшое количество клеток, произведенных известным и полностью воспроизводимым паттерном клеточных делений. Используя методы геномики отдельных клеток, мы смогли идентифицировать более 87 процентов эмбриональных клеток. от гаструляции (когда присутствует около 50 клеток) до конца эмбриогенеза».
С. elegans - это животное, которое вылупляется, имея в теле всего 558 клеток. В многоклеточном организме каждая клетка возникает в результате клеточного деления из одной оплодотворенной яйцеклетки, в результате чего получается «древо клеточных линий», которое показывает историю деления каждой клетки и описывает их отношения друг к другу, подобно генеалогии. Работа Сиднея Бреннера, Х. Роберта Хорвица и Джона Сулстона, получившая Нобелевскую премию, разработала дерево клеточных линий C.elegans более 40 лет назад и показали, что каждое животное C. elegans развивается по идентичным схемам клеточного деления.
Чтобы еще больше прояснить процесс развития, группы Penn и UW охарактеризовали то, что происходит на молекулярном уровне, путем измерения транскриптома - всех РНК в клетке - отдельных клеток во время развития с использованием подхода геномики одной клетки. Эти методы позволяют ученым определять, какие гены экспрессируются или включаются в каждой из десятков или сотен тысяч клеток, и идентифицировать редкие типы клеток на основе их экспрессии сходных подмножеств генов. Однако в этих исследованиях трудно понять, все ли типы клеток были идентифицированы или как идентифицированные клетки связаны друг с другом посредством клеточного деления.
Ведущие авторы, аспиранты Джонатан Пакер из Университета Вашингтона и Цинь Чжу из Пенсильвании, разработали сложные программы и алгоритмы анализа данных для отслеживания изменений транскриптома во временных последовательностях дерева клеточных клонов, раскрывая подробную динамику молекулярных изменения, необходимые для создания полного тела C.элегантный.
Полученный набор данных станет мощным инструментом для тысяч лабораторий, изучающих C. elegans в качестве модельного организма, и подчеркнет ограничения использования только геномики отдельных клеток для определения взаимосвязей между клетками других видов.
«Пенн был одним из пионеров геномики отдельных клеток, что действительно помогло сделать эту работу возможной», - говорит Ким.
Исследование помогает выявить фундаментальные механизмы, участвующие в том, как клетки специализируются на своих функциях во время развития. Например, исследователи показали, что клетки с очень разными историями происхождения могут быстро прийти к одному и тому же молекулярному состоянию, так что их больше нельзя будет различить. Исследователи также обнаружили, что во время дифференцировки некоторые клетки претерпевают поразительно быстрые изменения в своих транскриптомах.
Кроме того, эта работа будет способствовать применению в регенеративной медицине и клеточной инженерии, например, для контроля процесса клеточной дифференцировки, связанного с использованием собственных клеток пациента для терапии.
Джон Мюррей - адъюнкт-профессор генетики Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета.
Джунхён Ким - профессор биологии, назначенный Патрицией М. Уильямс на срок в Школе искусств и наук Пенсильванского университета.
В дополнение к Мюррею, Киму, Уотерстону, Пэкеру и Чжу соавторами статьи были Прия Сиварамакришнан из Penn, Элисия Престон, Ханна Дуек, Дерек Стефаник и Кай Тан, а также Чау Хюнь из UW и Коул Трапнелл.