Пространственные паттерны транскриптов генов в отдельных клетках эмбриона мыши
Новая методика sci-Space в сочетании с данными других технологий может привести к созданию четырехмерных атласов экспрессии генов в различных клетках в ходе эмбрионального развития млекопитающих.
Такие атласы отображали бы, как транскрипты генов в отдельных клетках отражают течение времени, клеточные линии, миграцию клеток и их расположение в развивающемся эмбрионе. Они также помогли бы прояснить пространственную регуляцию экспрессии генов.
Понимание пространственных паттернов экспрессии генов на уровне одной клетки во время эмбрионального развития может продвинуть биомедицинские и ветеринарные исследования в области наследственных заболеваний, врожденных пороков развития и задержек развития.
Международная команда под руководством ученых из UW Medicine, Howard Hughes Medical Institute и Brotman Baty Institute for Precision Medicine в Сиэтле продемонстрировала работоспособность своей методики sci-Space на эмбрионах мыши. Результаты опубликованы 2 июля в журнале Science.
Суть исследования
- Ученые проанализировали активность генов в 120 000 клеточных ядер эмбрионов мыши, чтобы понять, какие гены включаются или выключаются по мере формирования эмбриона, и как на это влияет расположение клеток.
- Методика sci-Space позволяет анализировать пространственные координаты и транскриптомы (профили экспрессии генов) отдельных клеток.
- С ее помощью ученые идентифицировали тысячи генов, экспрессия которых имеет анатомически обусловленный паттерн. Например, определенные генетические профили характерны для нейронов мозга и спинного мозга, а другие — для клеток сердечной мышцы.
Ключевые наблюдения
- Влияние положения клетки: Для многих типов клеток по мере увеличения физического расстояния между клетками увеличивалось и угловое расстояние между их транскриптомами. Эта тенденция была наиболее выражена у некоторых клеток мозга и спинного мозга.
- Разная степень пространственной регуляции: Типы клеток сильно различались по степени пространственной обусловленности экспрессии их генов. Например, клетки-предшественники соединительной ткани показали относительно большую долю пространственно ограниченной экспрессии генов.
- Аннотация подтипов клеток: Пространственная и генная информация позволила аннотировать подтипы клеток. Например, хотя и клетки кровеносных сосудов, и клетки сердечной мышцы экспрессировали ген определенного фактора роста, только клетки сердечной мышцы производили соответствующие рецепторы.
- Изучение развития мозга: Исследователи изучили динамику экспрессии генов при дифференцировке и миграции клеток мозга, используя Анатомический справочный атлас мозга Аллена (Allen Institute's Anatomical Reference Brain Atlas). Клетки из разных траекторий развития занимали преимущественно различные области мозга. Были обнаружены градиенты зрелости развития в разных регионах мозга, выявившие как известные, так и новые паттерны миграции.
Перспективы
В будущем исследователи надеются, что методику sci-Space можно будет применять к серийным срезам, охватывающим весь эмбрион мыши на многих временных точках, что позволит создать полномасштабные 4D-атласы развития.