Новая техника под названием sci-Space в сочетании с данными других технологий может привести к созданию четырехмерных атласов экспрессии генов в различных клетках во время эмбрионального развития млекопитающих.
Такие атласы будут отображать, как транскрипты генов в отдельных клетках отражают течение времени, клеточные линии, миграцию клеток и расположение в развивающемся эмбрионе. Они также помогут пролить свет на пространственную регуляцию экспрессии генов.
Эмбриональное развитие млекопитающих представляет собой замечательное явление: оплодотворенная яйцеклетка многократно делится и в течение нескольких недель или месяцев превращается в сложный организм, способный к множеству физиологических процессов и состоящий из множества клеток, тканей, органы, анатомические структуры.
Лучшее понимание того, как млекопитающие формируются до рождения, особенно пренатальных пространственных моделей экспрессии генов на уровне одной клетки во время эмбрионального развития, может продвинуть биомедицинские и ветеринарные исследования в различных условиях. Они варьируются от наследственных нарушений до врожденных пороков развития и задержки развития. Понимание того, как возникают органы, также может помочь будущим усилиям в области регенеративной медицины.
Международная группа под руководством ученых из Медицинского института Университета Вашингтона, Медицинского института Говарда Хьюза и Института точной медицины имени Бротмана Бэти в Сиэтле продемонстрировала проверку концепции своей научно-космической техники на эмбрионах мышей.
Ведущие авторы: Джей Шендуре, профессор медицины Университета Вашингтона в области геномных наук, директор Института Бротмана Бэти и исследователь Центра обнаружения клеточных линий Аллана; Келли Р. Стивенс, доцент кафедры биоинженерии Университета Вашингтона; и Коул Трапнелл, адъюнкт-профессор геномных наук. Регье и Стивенс также являются исследователями в Медицинском институте исследований стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Вашингтона.
Исследователи наблюдали оркестровку генов в 120 000 клеточных ядрах. Все соматические клетки тела содержат один и тот же код ДНК. Исследователи получили информацию о том, какие гены были включены или выключены в этих ядрах по мере формирования эмбрионов мыши. Ученые также исследовали, как расположение клеток в эмбрионе влияет на то, какие гены активируются во время развития.
Этот метод основан на предыдущей работе, в которой эти ученые и другие группы разработали способы проведения профилирования экспрессии генов и доступности ДНК-кода всего организма в тысячах отдельных клеток во время эмбрионального развития. Они сделали это, чтобы отслеживать появление и траекторию развития различных типов клеток.
То, как клетки организованы в пространстве - какое физическое положение они занимают при формировании эмбриона - имеет решающее значение для нормального развития. Неправильное размещение, сбои или клетки, которые не отображаются в нужное время в нужном месте, могут вызвать серьезные проблемы или даже пренатальную смерть.
Однако получение знаний о пространственных паттернах экспрессии генов было технически сложным. Было сложно анализировать генные транскрипты отдельных клеток на обширных участках эмбриона. Это ограничило научное понимание того, как пространственная организация влияет на экспрессию генов и, следовательно, почему какие типы клеток формируются где, или как соседние группы клеток влияют на будущие роли друг друга.
Ученые, участвовавшие в настоящем исследовании, ранее разработали метод маркировки клеточных ядер, метод, который они назвали sci-Plex. Затем они перешли к секвенированию одноклеточной РНК с помощью метода, называемого научно-РНК-секвенирование.
Теперь, с помощью sci-Space, анализируя пространственные координаты и транскрипты клеточных генов, ученые идентифицировали тысячи генов, чья экспрессия имеет анатомическую структуру. Например, определенные генетические профили появились в нейронах головного и спинного мозга, а другие - в клетках сердечной мышцы.
Ученые также использовали информацию о пространственных и генных профилях для аннотирования подтипов клеток. Например, хотя и клетки кровеносных сосудов, и сердечная мышца могут экспрессировать ген определенного фактора роста, только клетки сердечной мышцы продуцируют определенные рецепторы фактора роста.
Исследователи также заметили, что типы клеток сильно различаются по степени их пространственного паттерна экспрессии генов. Например, клетки-предшественники соединительной ткани обнаруживают относительно большую долю пространственно ограниченной экспрессии генов. Это наблюдение предполагает, что подтипы этих клеток ведут себя по всему телу в зависимости от положения.
Чтобы измерить влияние пространственного положения на профиль транскрипта гена клеточного типа, исследователи также рассчитали физическое расстояние между клетками и угловое расстояние профилей экспрессии их генов.
«Для многих типов клеток по мере увеличения физического расстояния между клетками увеличивалось и угловое расстояние между их транскриптомами», - отмечают исследователи в своей статье. Однако они добавили, что эта тенденция значительно варьируется. Это было наиболее выражено в некоторых клетках головного и спинного мозга.
На профили генетических транскриптов некоторых других типов клеток большое влияние оказывало их положение в развивающемся эмбрионе. Среди них есть определенные хрящевые клетки, которые становятся частью каркаса костей головы и лица.
Исследователи также изучили динамику экспрессии генов, которая происходила как часть дифференцировки и миграции клеток головного мозга во время эмбрионального развития мыши. Исследователи изучили, как анатомически распределяются различные траектории клеток головного мозга. Исследователи сделали это, используя в качестве руководства Анатомический справочный атлас мозга Института Аллена.
«Клетки каждой траектории в подавляющем большинстве занимали отдельные области мозга», - отметили исследователи. Они также наблюдали градиенты зрелости развития в разных областях мозга. Эти градиенты выявили как известные, так и новые модели миграции.
В будущем исследователи надеются, что sci-Space будет применяться к серийным срезам, которые охватывают весь эмбрион мыши и охватывают множество моментов времени.
Недавно опубликованное исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Brotman Baty Institute, Paul G. Allen Frontiers Foundation и Washington Research Foundation.