Виртуальный эмбрион дрозофилы: реконструкция жизни на клеточном уровне

После 13 быстрых делений оплодотворенная яйцеклетка дрозофилы (Drosophila melanogaster) состоит примерно из 6000 внешне одинаковых клеток. Однако каждая из них уже "знает", станет ли она нейроном, мышечной клеткой или частью кишечника, головы или хвоста. Команды Николауса Раевского и Роберта Цинцена из Берлинского института биологии медицинских систем (BIMSB) проанализировали уникальные профили экспрессии генов тысяч отдельных клеток и с помощью нового алгоритма пространственного картирования собрали из этих данных виртуальный эмбрион. Результат показывает, какие именно гены активны и где в этот момент времени. "По сути, это транскриптомный план раннего развития", — говорит Роберт Цинцен. Их статья опубликована в онлайн-выпуске Science.

Интерактивная база данных и новые открытия

Используя интерактивную базу данных Drosophila Virtual Expression eXplorer (DVEX), исследователи могут изучить экспрессию любого из примерно 8000 экспрессируемых генев каждой клетке. Это работает и с загадочными длинными некодирующими РНК. "Вместо трудоемких экспериментов по визуализации ученые могут проводить виртуальные, чтобы выявлять новых регуляторных игроков и даже получать идеи о биологических механизмах", — говорит Николаус Раевский.

В своей статье исследователи описывают дюжину новых транскрипционных факторов и множество длинных некодирующих РНК, которые никогда ранее не изучались. Кроме того, они предлагают ответ на вопрос, который озадачивал ученых 35 лет: как эмбрион нарушает синхронность клеточных делений для развития более сложных структур?

Они предполагают, что сигнальный путь Hippo, контролирующий размер органов, клеточные циклы и пролиферацию, ответственен за начало гаструляции у эмбриона дрозофилы. "Мы не только показали, что Hippo активен у мухи, но и смогли предсказать, в каких областях эмбриона это приведет к разному началу митоза и, следовательно, нарушит синхронность".

Технологическая основа проекта

Ключевой основой успеха стала технология Drop-Seq — микрофлюидный метод на основе капель, позволяющий проводить транскрипционный профилирование тысяч отдельных клеток с низкой стоимостью. Филлип Вале, аспирант из лаборатории Цинцена, вручную отобрал около 5000 эмбрионов на стадии начала гаструляции, которые затем были диссоциированы на отдельные клетки.

Для стабилизации транскриптомов в клетках между сессиями сбора был разработан новый метод фиксации отдельных клеток с использованием метанола.

Вычислительный эксперт Никос Караискос разработал новый алгоритм DistMap, который может сопоставлять транскриптомные данные клеток с их исходным положением в виртуальном эмбрионе. Это была итеративная работа, требовавшая постоянного взаимодействия между сухой и мокрой лабораториями.

Валидация и значение

Построение виртуального эмбриона позволило Караискосу предсказать экспрессию тысяч генов. Эти предсказания были валидированы Филлипом Вале и Клаудией Кипар с помощью традиционного метода in situ гибридизации, визуализирующего паттерны экспрессии генов.

"Самое важное технологическое достижение этого исследования в том, что мы не теряем пространственную информацию, необходимую для понимания того, как эмбриональные клетки действуют согласованно", — говорят ученые.

Группы уже планируют последующие проекты: картирование клеток в разные моменты времени, чтобы увидеть, как они формируют органы и ткани, и проверку применимости подходов картирования к более сложным тканям.