Как из одной оплодотворенной яйцеклетки образуются все клетки в организме животного? Этот вопрос десятилетиями не давал покоя ученым, и ответ на него крайне важен для понимания того, как такие заболевания, как рак, возникают и распространяются в организме. Новое исследование, опубликованное в журнале Science и проведенное учеными из Сиэтлского центра синтетической биологии, приближает нас к ответу на этот вопрос.
Исследователи успешно построили откалиброванное по времени древо происхождения, показывающее, как одна клетка превратилась в 1,28 миллиона клеток — около 10% клеток двухнедельного эмбриона мыши. На сегодняшний день это самое большое генеалогическое древо, когда-либо построенное для млекопитающих.
Ученые использовали технологию DNA Typewriter, чтобы реконструировать большую часть клеточной линии развивающейся мыши и составить карту того, как более 1,28 миллиона отдельных клеток появились в результате первого клеточного деления и сформировали ткани и органы.
DNA Typewriter работает по принципу последовательного добавления генетических меток в ДНК клетки в процессе ее деления. Метки копируются в каждую дочернюю клетку — клетку, которая образуется при делении родительской клетки, — и записываются по порядку, так что они действуют как своего рода дневник в геноме, показывая, как делилась клетка и что с ней происходило. Исследователи ввели систему DNA Typewriter в оплодотворенную яйцеклетку мыши и дали эмбриону развиться в течение 13,5 дней, то есть примерно две трети срока беременности мыши. Они измерили генетические маркеры в 1,58 миллионах отдельных клеточных ядер и реконструировали «генеалогическое древо» клеток, из которых состоит эмбрион.
«Мы были удивлены тем, насколько четко происходила маркировка уже при первом делении», — сказал Хэдон Ким, один из авторов исследования. «Это дало нам две естественные, независимые копии одного и того же эксперимента в рамках одного эмбриона, так что мы могли дважды проверить каждый результат».
Исследователи выявили множество уникальных меток — генетических «отпечатков», которые помогают отличать одну клетку от другой, — оставленных «ДНК-машинкой» при первом делении клетки, когда оплодотворенная яйцеклетка разделилась на две клетки. По мере того как они, в свою очередь, продолжали делиться, образуя все больше клеток на двух параллельных, но разных путях развития, исследователи обнаружили, что они внесли разный вклад в общее количество клеток эмбриона — примерно 57% и 42%, — но обеспечили одинаковую долю каждого типа клеток.
«Наш успех в переносе ДНК-печатной машинки в развивающийся эмбрион, а также в получении клеточной линии приближает нас к мечте — составить полную карту развития млекопитающих, — сказал Джей Шендур, научный директор Сиэтлского центра синтетической биологии. — Все типы клеток формируются в процессе развития, и такие карты помогут разобраться в тысячах генетических нарушений, возникающих в ходе развития».
Это исследование — важный шаг, поскольку изучение того, как клетки делятся и организуются в процессе развития, поможет исследователям лучше понять причины врожденных дефектов, рака и нарушений развития. Понимая, как происходит нормальное клеточное развитие и как одна клетка превращается во множество, исследователи получают эталонную модель для сравнения, которая позволяет лучше определить, когда и где нормальное развитие отклоняется и приводит к заболеваниям. Эти знания могут помочь разработать способы предотвращения аномального клеточного развития или вмешательства в процесс, когда клетки начинают вести себя неправильно.
Технология DNA Typewriter также может быть использована для определения путей распространения раковых клеток, лучшего понимания того, как работает терапия стволовыми клетками и как старение влияет на клетки различных органов. Получение биологических ответов на основе данных о происхождении клеток может ускорить исследования, которые в противном случае заняли бы гораздо больше времени.
Эта работа показывает, что в рамках одного эксперимента можно зафиксировать и проанализировать историю развития сложных млекопитающих. Система DNA Typewriter встраивала упорядоченные молекулярные метки на протяжении всего развития мыши, которые можно было расшифровать, чтобы понять, какая клетка дала начало той или иной. Полученное древо развития доступно в открытом доступе вместе с интерактивным браузером под названием NextCell, который позволяет любому желающему изучить клеточное древо развития мыши.
