Все люди начинают жизнь как одна клетка, которая многократно делится, образуя две, затем четыре, затем восемь клеток, вплоть до примерно 26 миллиардов клеток, из которых состоит новорожденный. Отследить, как и когда эти 26 миллиардов клеток возникают из одной зиготы, - серьезная задача биологии развития, области, которая до сих пор была способна лишь фиксировать и анализировать моментальные снимки процесса развития.
Теперь новый метод, разработанный учеными из Института Висса и Гарвардской медицинской школы (HMS), наконец-то делает эту сложную задачу реальностью, используя эволюционирующие генетические штрих-коды, которые активно регистрируют процесс деления клеток у развивающихся мышей. позволяя проследить происхождение каждой клетки в теле мыши до ее одноклеточного происхождения.
Исследование опубликовано сегодня в журнале Science как статья первого выпуска.
«Существующие методы отслеживания родословных могут показывать только моментальные снимки во времени, потому что вам нужно физически остановить процесс развития, чтобы увидеть, как клетки выглядят на каждом этапе, почти как отдельные кадры кинофильма», - сказал старший автор Джордж Черч, доктор философии, член-учредитель профессорско-преподавательского состава Института Висса, профессор генетики в HMS и профессор медицинских наук и технологий в Гарварде и Массачусетском технологическом институте. «Этот метод записи штрих-кода позволяет нам реконструировать полную историю развития каждой зрелой клетки, что похоже на воспроизведение полного кинофильма в обратном направлении в реальном времени."
Генетические штрих-коды создаются с использованием последовательности ДНК особого типа, которая кодирует модифицированную молекулу РНК, называемую направляющей РНК (hgRNA), которая была разработана в предыдущей статье. Молекулы hgRNA сконструированы таким образом, что когда присутствует фермент Cas9 (известный как CRISPR-Cas9), hgRNA будет направлять Cas9 к его собственной последовательности hgRNA в геноме, которую Cas9 затем разрезает. Когда клетка восстанавливает этот разрез, она может внести генетические мутации в последовательность hgRNA, которые со временем накапливаются, создавая уникальный штрих-код.
Исследователи применили систему hgRNA-Cas9 к мышам, создав «мышь-основательницу», которая имела 60 различных последовательностей hgRNA, разбросанных по всему ее геному. Затем они скрестили мышь-основательницу с мышами, экспрессирующими белок Cas9, и получили зиготы, чьи последовательности hgRNA начали разрезаться и мутировать вскоре после оплодотворения..
«В каждой отдельной клетке, в которую делится зигота, есть шанс, что ее hgRNA мутирует», - объяснил первый автор Реза Калхор, доктор философии. Д., научный сотрудник с докторской степенью в Институте Висса и HMS. «В каждом поколении все клетки приобретают свои собственные уникальные мутации в дополнение к тем, которые они наследуют от своей материнской клетки, поэтому мы можем проследить, насколько тесно связаны разные клетки, сравнив, какие мутации у них есть».
Каждая hgRNA может производить сотни мутантных аллелей; вместе они могут генерировать уникальный штрих-код, который содержит полную линию развития каждой из примерно 10 миллиардов клеток взрослой мыши.
Возможность непрерывно регистрировать развитие клеток также позволила исследователям решить давний вопрос, касающийся эмбрионального мозга: сначала он отличает переднюю часть от задней или сначала левую от правой? Сравнивая штрих-коды мутаций hgRNA, присутствующие в клетках, взятых из разных частей мозга двух мышей, они обнаружили, что нейроны с левой стороны каждой области мозга более тесно связаны с нейронами с правой стороны той же области, чем с нейронами с левой стороны. стороне соседних регионов. Этот результат свидетельствует о том, что в развитии центральной нервной системы формирование паттерна передне-заднего мозга возникает раньше, чем лево-правосторонний паттерн.
Этот метод позволяет нам взять последнюю стадию развития модельного организма и оттуда реконструировать полное генеалогическое древо вплоть до его одноклеточной стадии. Это амбициозная цель, которая, безусловно, потребует от многих лабораторий нескольких лет, чтобы понять, но эта статья представляет собой важный шаг на пути к этому», - сказал Черч. В настоящее время исследователи сосредоточены на улучшении своих методов считывания, чтобы они могли анализировать штрих-коды отдельных клеток и реконструировать записанное дерево родословных.
Возможность непрерывной записи клеток в течение долгого времени является огромной вехой в биологии развития, которая обещает экспоненциально расширить наше понимание процесса, посредством которого отдельная клетка превращается во взрослое животное и, применительно к моделям болезней, это может дать совершенно новое понимание того, как возникают такие болезни, как рак», - сказал Дональд Ингбер, М. Доктор философии, доктор философии, директор-основатель Института Висса, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардской школе Джона А. Полсона. Инженерные и прикладные науки (SEAS).
Дополнительными авторами статьи являются Киан Калхор из Технологического университета им. Шарифа в Тегеране, Иран; Лео Мехия из HMS, Кэтлин Липер и Аманда Гравелин из Института Висса, а также Прашант Мали, доцент Калифорнийского университета в Сан-Диего.