Самые ранние дни роста, задолго до нашего рождения, являются временем невероятного развития. За относительно короткий промежуток времени мы и другие млекопитающие создаем в своем теле десятки различных органов из нескольких тонких слоев клеток. У мышей этот период длится всего четыре дня. У людей он завершается до конца первого триместра беременности.
Теперь новое исследование, проведенное исследователями из Центра открытий Аллена в UW Medicine, проследило этот важный период формирования органов, клетка за клеткой, у развивающейся мыши. Опубликованное сегодня в журнале Nature исследование является самым большим набором данных такого рода на сегодняшний день.
Исследование зафиксировало гены, которые включаются и выключаются в 2 миллионах различных клеток по мере того, как они превращаются из ничем не примечательных клеточных предшественников в живот, мышцы, мозг, кожу и все остальное между ними.
Понимание того, как мы вырастаем из одной клетки в тысячи различных типов клеток, связанных и функционирующих вместе, чтобы создать наши взрослые тела, необходимо для понимания не только биологии человека, но и большей части самой жизни, сказал Джей Шендур. Доктор медицины, доктор философии, старший автор исследования и руководитель Allen Discovery Center.
"Каждый из нас произошел из одной клетки - не только каждый человек, но и каждый многоклеточный организм на планете. Эти клеточные линии приводят к тому, что мы становимся функционирующими организмами, но они также и объединяют нас», - сказал Шендур, который также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза и профессором геномных наук в Вашингтонском университете. «Основные подмножества дерева жизнь разделяют эту общую программу развития."
Развитие также лежит в основе многих болезней человека, даже тех, которые проявляются гораздо позже в жизни.
«Не только болезни развития, но и множество распространенных заболеваний взрослой жизни имеют некоторые корни в процессах развития, и мы просто еще недостаточно хорошо понимаем эти вещи», - сказал Шендур.
Понимание нашей генетической программы
Исследование основывалось на новой методике, разработанной Джуньюэ Цао, аспиранткой Университета Вашингтона, работающей в Центре открытий Аллена и соавтором статьи, для измерения того, как гены включаются и выключаются, также известные как гены. экспрессии из отдельных клеток во всех частях тела животных и на разных стадиях развития. Исследователи пометили выходные данные генов каждой клетки уникальным набором из трех молекулярных штрих-кодов, которые затем считываются одновременно с остальными данными об экспрессии генов клетки.
Эта тройная маркировка означает, что исследователи могут смешивать множество клеток вместе в одной пробирке, чтобы зафиксировать экспрессию их генов и по-прежнему отслеживать эти генные продукты до одной клетки благодаря их индивидуальным штрих-кодам. Именно по этой причине Цао смог провести этот эксперимент с двумя миллионами клеток менее чем за две недели, но сама разработка методики заняла почти год, как и анализ полученной кучи данных.
Цао вместе с Малте Шпильманном, доктором философии, бывшим постдокторантом UW, соавтором статьи, а ныне преподавателем Института молекулярной генетики Макса Планка, использовали этот метод для изучения экспрессии генов. отдельных клеток от 61 эмбриона лабораторной мыши разного возраста в течение этого четырехдневного окна развития. Их анализ не зафиксировал каждую клетку в этих эмбрионах, но, по оценкам исследователей, они были довольно близки на некоторых стадиях развития. Им удалось изучить около 80 процентов клеток у самых ранних эмбрионов и от 3 до 20 процентов у более старых эмбрионов.
Эта работа сильно отличается от классических методов изучения биологии развития, когда исследователи мутировали один или несколько генов и смотрели, какие структуры изменились в результате развивающихся животных.
«Этот подход дает вам только представление об этой базовой генетической архитектуре развития», - сказал Коул Трапнелл, доктор философии, доцент кафедры геномных наук в Университете Вашингтона и член Центра открытий Аллена в Медицине Университета Вашингтона.. Трапнелл также был старшим автором исследования. «Если бы вы могли наблюдать весь процесс, разворачивающийся в невероятно высоком разрешении, а затем применять сложные компьютерные алгоритмы для организации данных, вы могли бы наметить гораздо более крупные фрагменты генетической программы, контролирующей развитие», - сказал он..
Это исследование еще не совсем на этом уровне. Исследователи не отслеживали клетки у одного и того же животного в процессе их развития, хотя такое отслеживание клонов является одной из их долгосрочных целей. Но это шаг на этом пути, и он все еще может дать ценную информацию о биологии развития, говорят исследователи.
В своем исследовании они изучили несколько ключевых типов развития, а именно формирование конечностей и скелетных мышц, два общих процесса, которые очень похожи у мышей и людей. Исследователи обнаружили сотни генов, которые включаются и выключаются за короткие промежутки времени в определенных клетках, отвечающих за развитие ног, гены, которые не были связаны с этими клетками в предыдущих исследованиях. Они еще не знают, что делают эти гены, и в этом наборе данных еще многое предстоит раскрыть, сказали они.
«Целому сообществу исследователей потребуются годы, чтобы изучить эти данные до такой степени, что мы почувствуем, что исчерпали их», - сказал Трапнелл. «На самом деле мы только поверхностно понимаем, что эти данные будут означать для поля».