Самые первые дни роста, задолго до нашего рождения, являются временем невероятного развития. За относительно короткий промежуток времени мы и другие млекопитающие создаем десятки различных органов нашего тела из нескольких тонких слоев клеток. У мышей этот период длится всего четыре дня. У людей это завершается до конца первого триместра беременности.

Теперь, новое исследование, проведенное учеными в Центре исследований Аллена в UW Medicine, выявило этот важный период формирования органов, клетка за клеткой, у развивающейся мыши. Это исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature , на сегодняшний день является самым большим набором данных такого рода на сегодняшний день.

В исследовании были обнаружены гены, которые включаются и выключаются в 2 миллионах различных клеток по мере того, как они переходят от незаметных клеточных предшественников к животу, мышцам, мозгу, коже и всему остальному между животными.

По словам Джея Шендюра, доктора медицинских наук, доктора философии Джея, понимание того, как мы вырастаем из одной клетки в тысячи различных типов клеток, соединенных и функционирующих вместе для создания наших взрослых тел, имеет важное значение для понимания не только биологии человека, но и большей части самой жизни. ., старший автор исследования и руководитель Центра открытий Аллена.

«Каждый из нас происходил из одной клетки — не только каждого человека, но и каждого многоклеточного организма на планете. Эти клеточные линии приводят к тому, что мы становимся функционирующими организмами, но также и то, что нас объединяет», — сказал Шендур, который также является исследователем Медицинский институт Говарда Хьюза и профессор кафедры генома в Вашингтонском университете. «Основные подмножества древа жизни разделяют эту общую программу развития».

Развитие также лежит в основе многих болезней человека, даже тех, которые проявляются не намного позже в жизни.

«Не только болезни развития, но и множество распространенных болезней взрослой жизни имеют некоторый корень в процессах развития , и мы просто еще недостаточно понимаем эти вещи», — сказал Шендур.

Понимание нашей генетической программы

Исследование основывалось на новой методике, разработанной Junyue Cao, аспирантом UW, работающим в Центре открытий Аллена и соавтором статьи, для измерения того, как включаются и выключаются гены, также известные как экспрессия генов , из отдельных клеток. во всех частях тела животных и на разных стадиях развития. Исследователи обозначили вывод генов каждой клетки уникальным набором из трех молекулярных штрих-кодов, которые затем считываются одновременно с остальными данными экспрессии генов клетки.

Эта тройная маркировка означает, что исследователи могут смешивать множество клеток в одной пробирке, чтобы зафиксировать их экспрессию генов и при этом отслеживать эти генные продукты обратно в одну клетку благодаря их индивидуальным штрих-кодам. Это причина, по которой Цао мог провести этот эксперимент с двумя миллионами клеток менее чем за две недели, но сама разработка методики заняла около года, как и анализ полученной кучи данных.

Цао вместе с доктором наук Мальте Шпильманом, бывшим научным сотрудником UW, соавтором статьи и в настоящее время преподавателем Института молекулярной генетики им. Макса Планка, использовали этот метод для изучения экспрессии генов отдельных клеток 61 Через четыре дня развития эмбрионы лабораторных мышей разных возрастов. Их анализ не охватил каждую клетку в этих эмбрионах, но по оценкам исследователей, они довольно близко подошли к некоторым стадиям развития. Они смогли изучить около 80 процентов клеток у самых ранних эмбрионов и от 3 до 20 процентов у чуть более старых эмбрионов.

Эта работа сильно отличается от классических методов изучения биологии развития, когда исследователи мутируют один ген или несколько генов и видят, какие структуры изменились у развивающихся животных.

«Такой подход только дает вам представление об этой базовой генетической архитектуре развития», — говорит доктор философских наук Коул Трапнелл, доцент кафедры генома в UW и член Центра исследований Аллена в UW Medicine. Трапнелл был также старшим автором исследования. «Если бы вы могли наблюдать, как весь процесс разворачивается с невероятно высоким разрешением, а затем применять сложные компьютерные алгоритмы для упорядочивания данных, вы могли бы наметить гораздо большие фрагменты генетической программы, которая контролирует развитие», — сказал он.

Это исследование еще не совсем в этот момент. Исследователи не отслеживали клетки у того же животного, с которым они развивались, хотя такой вид отслеживания линии является одной из их долгосрочных целей. Но это шаг на этом пути, и он 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, что сотни генов включаются и выключаются в короткие промежутки времени в определенных клетках, которые управляют развитием 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 выяснить, сказали они.

«Целому сообществу исследователей потребуются годы, чтобы взглянуть на эти данные до такой степени, что мы почувствуем, что исчерпали их», — сказал Трапнелл. «На самом деле мы только царапаем поверхность того, что эти данные будут значить для поля».