Команда биологов, физиков и специалистов по математическому моделированию из Кембриджа изучила генетическую активность более 100 000 эмбриональных клеток, чтобы установить молекулярную схему раннего развития эмбриона мыши. Это новое исследование дает принципиально важную информацию о том, как эмбрионы млекопитающих развиваются во время гаструляции, ключевой стадии развития, и прокладывает путь к новому пониманию самых ранних стадий жизни.
Выдающийся биолог Льюис Вулперт однажды сказал: «Не рождение, брак или смерть, а гаструляция - действительно самый важный момент в вашей жизни. Гаструляция представляет собой процесс развития животных (и человека), при котором клетки-предшественники в эмбрионе генетически программируются для создания всех различных органов тела, включая мозг, сердце, легкие, кишечник и мышцы. Гаструляция является критически важным этапом. однако в развитии эмбриона детальное понимание этого процесса на молекулярном уровне до сих пор было ограниченным.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые из Кембриджа создали первую комплексную молекулярную карту гаструляции у млекопитающих. Измерив генетическую активность 116 312 одиночных клеток в эмбрионе мыши между 6,5 и 8,5 днями после оплодотворения, исследователи установили молекулярную схему эмбрионального развития млекопитающих.
Исследователи использовали передовую технологию одиночных клеток, чтобы измерить, какие гены активируются в эмбрионе мыши в течение ряда последовательных моментов времени. Начиная с небольшого количества отдельных типов клеток, обнаруженных в начале гаструляции, клетки разветвляются на более чем 30 различных типов клеток с разными генетическими профилями, все в течение всего лишь 48 часов.
Вычислительный анализ позволил ученым создать «интерактивные карты», где каждая клетка представлена точкой, а клетки с похожими молекулярными профилями расположены близко друг к другу. Эти новые карты, которые находятся в свободном доступе в Интернете для использования другими исследователями, иллюстрируют траектории клеточного развития от одного типа клеток к другому и показывают точные генетические процессы, которые позволяют всем клеткам и органам тела развиваться из своих клеток. раннее эмбриональное происхождение.
"Наша новая карта представляет собой молекулярную схему, показывающую, как эмбриональное развитие протекает в нормальных условиях. Она позволяет нам увидеть, какие различные наборы генов активируются, когда неуказанные эмбриональные клетки пролиферируют и диверсифицируются во все специфические типы клеток по всему миру. тела», - сказал профессор Берти Гёттгенс, руководитель группы в Кембриджском институте стволовых клеток Wellcome-MRC. «Карта также является бесценным ориентиром для понимания того, как генетические мутации могут нарушать рост эмбриона и вызывать нарушения развития и заболевания."
Исследователи проверили новую молекулярную карту, изучив Tal1, ген, который необходим для нормального развития крови, но, если его активировать не в тех клетках, он может вызвать лейкемию. Сравнив эталонный атлас с более чем 10 000 мутантных клеток Tal1, исследователи смогли расшифровать последствия генетической мутации Tal1.
«Чтобы исследовать роль Tal1 в развитии крови, мы смешали эмбриональные стволовые клетки, несущие мутировавший ген Tal1, с очень ранними нормальными эмбрионами, чтобы получить химеры», - объяснила профессор Дженни Николс, руководитель группы Wellcome-MRC Cambridge Stem. Клеточный институт. «Поскольку эти химеры все еще могли производить кровь из своих нормальных клеток, мы смогли изучить мутантные клетки в их надлежащем биологическом контексте».
Доктор Джон Мариони, руководитель группы Европейского института биоинформатики EMBL (EMBL-EBI) и Кембриджского института исследований рака Великобритании, сказал: «Сравнивая наши экспериментальные данные с данными, собранными на молекулярной карте, мы смогли расшифровать именно то, что происходило внутри клеток с мутантными генами Tal1. Мы могли видеть, что мутантные клетки не просто застряли или решили стать другим типом клеток, но вместо этого клетки начали экспрессировать широкий спектр различных генов, как если бы они не знали, в какой тип клеток они должны созреть.."
Исследование генетической основы развития крови - это лишь один из способов использования новой молекулярной карты для понимания нормальных и болезненных процессов. Обширный характер карты, содержащей молекулярную информацию обо всех типах развивающихся клеток эмбриона, позволит другим исследователям глубже понять, как развивается целый ряд органов. Это, в свою очередь, позволит ученым разработать новые протоколы производства аутентичных типов клеток для скрининга лекарств, а также методов лечения, направленных на регенерацию больных или стареющих органов.
Д-р Шени Чен из группы Wellcome's Cellular and Developmental Sciences сказал: «Собрав воедино эту «молекулярную карту» того, как клетки развиваются в эмбрионе мыши, исследователи создали важный и полезный ресурс для исследовательского сообщества. Наука - результат совместных усилий, и эта команда биологов, физиков и математиков смогла по-новому понять гаструляцию - ключевой процесс в развитии, который генерирует три клеточных слоя, дающих начало всем органам тела».
Команда выражает благодарность Wellcome, Совету по медицинским исследованиям, Bloodwise, Cancer Research UK, Национальным институтам здравоохранения и Европейской лаборатории молекулярной биологии.