Ключевой шаг в понимании развития головы

Краниальные клетки нервного гребня (CNCCs) формируют гораздо больше частей тела, чем предполагает их скромное название. Эти удивительные стволовые клетки не только образуют большую часть черепа и лицевого скелета у всех позвоночных — от рыб до человека, — но также могут порождать структуры от жабр до роговицы.

Чтобы понять эту универсальность, учёные из лаборатории Гейджа Крампа создали серию атласов во времени, чтобы изучить молекулярные решения, благодаря которым CNCCs дифференцируются в специфические ткани у развивающегося zebrafish (данио-рерио). Их результаты, опубликованные в Nature Communications, могут дать новое понимание нормального развития головы, а также черепно-лицевых врождённых дефектов.

Методология исследования

Команда под руководством постдока Питера Фабиана и аспирантов пометила CNCCs красным флуоресцентным белком, чтобы отслеживать их происхождение в течение всей жизни рыбки. Затем они использовали метод «single-cell genomics», чтобы идентифицировать полный набор активных генов и организацию ДНК в сотнях тысяч отдельных CNCCs.

Огромный объём данных потребовал разработки нового вычислительного инструмента — алгоритма «Constellations» (Созвездия). Этот инструмент предсказывает будущее клеток и выявляет ключевые гены, контролирующие их развитие.

Ключевые открытия

Исследование показало, что CNCCs не начинают развитие со всей информацией, необходимой для создания огромного разнообразия клеточных типов. Вместо этого, только после рассеивания по эмбриону, они начинают реорганизовывать свой генетический материал, готовясь стать специфическими тканями.

Алгоритм Constellations точно определил генетические признаки, указывающие на эти специфические судьбы CNCCs. Эксперименты подтвердили его предсказания:

• Роль семейства генов «FOX» в формировании лицевого хряща.
• Ранее неизвестная функция генов «GATA» в формировании респираторных клеток жабр, позволяющих рыбам дышать.

Это одно из наиболее полных исследований популяции клеток позвоночных методом single-cell на сегодняшний день, которое дало важное понимание развития головы и создало универсальный вычислительный инструмент для изучения развития и регенерации систем органов.