Беспрецедентные одноклеточные исследования на виртуальном эмбрионе

Исследователи из EMBL Heidelberg и из Медицинского факультета Университета Падуи создали первое полное описание раннего развития эмбрионов, в котором учитывается каждая отдельная клетка эмбриона. Этот «виртуальный эмбрион» поможет ответить на вопрос, как различные типы клеток в организме могут происходить из одной яйцеклетки. Результаты опубликованы 20 апреля в журнале клетка.

Беспрецедентные одноклеточные исследования на виртуальном эмбрионе

"Как много разных типов клеток в организме генерируется во время эмбрионального развития из яйца, которое является только одной клеткой? Это один из самых фундаментальных вопросов в биологии," объясняет доктор Пьер Неве, руководитель группы в EMBL Heidelberg, излагая обоснование исследований, которые он и его группа провели в сотрудничестве с группой доктора Ларса Хуфнагеля.

Чтобы ответить на этот вопрос, важно понять, как формируются многоклеточные организмы, но изучение механизмов развития, стимулирующих эту клеточную диверсификацию на уровне отдельных клеток, всего генома и всего эмбриона, является сложной задачей. "До сих пор нам не хватало полного понимания программ экспрессии генов. Они инструктируют отдельные клетки для формирования различных типов клеток, необходимых для создания эмбриона," объясняет доктор Ханна Сладичек, первый автор исследования. бывший постдок в Гейдельберге EMBL, а теперь в Медицинской школе Университета Падуи. Несмотря на последние достижения в этой области, до сих пор не было достигнуто полное представление о эмбриональном развитии, учитывающем каждую клетку в пространстве и времени.

READ  Исследование огромных улучшений эффективности сверхнового OLED-излучателя Galaxy S21

Исследователи EMBL смогли решить эту проблему, создав «виртуальный зародыш» Phallusia mammillata.- тип морского организма, известного как морской шприц, который встречается в Средиземном море и Атлантическом океане. Этот вид был выбран в качестве модельной системы, поскольку он связан с позвоночными животными, и у каждого особи одинаковое количество клеток, что облегчает объединение наблюдений от многих образцов.

Этот виртуальный эмбрион описывает экспрессию генов и морфологию каждой отдельной клетки эмбриона на каждом клеточном делении на ранних стадиях развития. Показывает эволюцию от одной клетки к стадии 64 клеток. После этих первых семи клеточных дел уже определены судьбы будущего нервного шнура, мозга, половых клеток, предшественников клеток крови и мышц. Это делает его первым полным описанием раннего развития, учитывающего каждую клетку эмбриона. Он описывает как экспрессию генов. Как экспрессируется и появляется генетическая информация клетки, так и пространственное положение. Для создания этого всеобъемлющего атласа исследователи объединили одноклеточную транскриптомику с высоким разрешением и визуализацию на легких листах.

"Наша модель показывает, что можно узнать местоположение и историю отдельной клетки, анализируя экспрессию ее гена," говорит Невеу. "Кроме того, мы обнаружили, что, хотя регуляция экспрессии генов в эмбрионе очень точная, различия во времени развития объясняют наблюдаемые различия между отдельными эмбрионами."

READ  OnePlus 9 Pro с беспроводной зарядкой 45 Вт и возможностью обратной зарядки Сообщество

Обычно считается, что экспрессия генов представляет собой шумный процесс. Другими словами, тот, который показывает элемент случайности. Тем не менее, новые результаты показывают, что он удивительно воспроизводим и скоординирован по клеткам данного эмбриона. "Как достигается такая координация? Как координируется эмбрион между двумя зеркально-симметричными половинами эмбриона?" говорит Неве, подчеркивая некоторые новые вопросы, на которые ученые хотели бы ответить.

"Наши исследования представляют собой скачок в развивающейся области геномики развития," говорит Хуфнагель. "Теперь, когда мы работали с организмом с небольшим количеством клеток, конечно, будет очень интересно распространить нашу работу на млекопитающих, у которых гораздо больше клеток!"