Установлен молекулярный план раннего развития эмбриона

Международная группа биологов, физиков и математиков из Кембриджа изучила генетическую активность более 100 000 эмбриональных клеток, чтобы установить молекулярный план раннего развития эмбриона мыши. Это исследование даёт фундаментально важную информацию о том, как развиваются млекопитающие на стадии гаструляции — ключевом этапе развития, — и прокладывает путь к новому пониманию самых ранних стадий жизни.

Гаструляция — это процесс в развитии животных (и человека), при котором клетки-предшественники в эмбрионе генетически программируются для образования всех различных органов тела, включая мозг, сердце, лёгкие, кишечник и мышцы. Подробное понимание этого процесса на молекулярном уровне до сих пор было ограничено.

В исследовании, опубликованном в Nature, учёные создали первую всеобъемлющую молекулярную карту гаструляции у млекопитающих. Измерив генетическую активность в 116 312 отдельных клетках эмбриона мыши в период от 6,5 до 8,5 дней после оплодотворения, исследователи установили молекулярный план эмбрионального развития.

• Технология и метод: Используя передовые технологии одноклеточного анализа, учёные измерили, какие гены активируются в эмбрионе мыши в последовательные моменты времени.
• Результат: Начиная с небольшого числа различных типов клеток в начале гаструляции, клетки ответвляются в более чем 30 различных типов с разными генетическими профилями всего за 48 часов.

Вычислительный анализ позволил создать «интерактивные карты», где каждая клетка представлена точкой, а клетки со схожими молекулярными профилями расположены близко друг к другу. Эти новые карты, свободно доступные онлайн, иллюстрируют траектории клеточного развития и показывают точные генетические процессы, которые позволяют всем клеткам и органам тела развиться из ранних эмбриональных предшественников.

«Наша новая карта предоставляет молекулярный план, описывающий, как протекает эмбриональное развитие в нормальных условиях. Она позволяет увидеть, какие различные наборы генов активируются, когда неспециализированные эмбриональные клетки пролиферируют и дифференцируются во все специфические типы клеток организма», — сказал профессор Берти Гёттгенс.

Проверка карты на примере гена Tal1

Исследователи протестировали карту, изучив ген Tal1, который необходим для нормального развития крови, но при активации в неправильных клетках может вызвать лейкемию. Сравнив референсный атлас с более чем 10 000 мутантных по Tal1 клеток, учёные расшифровали последствия этой генетической мутации.

Для этого они создали химерные эмбрионы, смешав эмбриональные стволовые клетки с мутацией Tal1 с очень ранними нормальными эмбрионами. Это позволило изучить мутантные клетки в их правильном биологическом контексте.

«Сравнивая наши экспериментальные данные с данными молекулярной карты, мы смогли точно расшифровать, что происходит в клетках с мутантными генами Tal1. Мы увидели, что мутантные клетки не просто останавливались в развитии или не превращались в другой тип клеток. Вместо этого они начинали экспрессировать широкий спектр различных генов, как будто были сбиты с толку, в какой тип клеток им следует превратиться», — объяснил доктор Джон Мариони.

Значение и перспективы

Исследование генетической основы развития крови — лишь один пример использования новой молекулярной карты. Её обширный характер, содержащий молекулярную информацию обо всех развивающихся типах клеток эмбриона, позволит другим исследователям глубже понять, как развивается целый ряд органов. Это, в свою очередь, позволит учёным разрабатывать новые протоколы для производства аутентичных типов клеток для скрининга лекарств, а также для терапий, направленных на регенерацию больных или стареющих органов.