Развитие клетка за клеткой
Перевод: Елена Лисицына
Редакция: Михаил Повиленский, Телли Мурадова
Оформление: Cornu Ammonis

Три метода, позволяющие ученым отследить развитие эмбрионов в потрясающих деталях.

Еще со времен Гиппократа биологи ломали голову над тем, как одинокая клетка развивается во взрослого человека, состоящего из множества органов и миллиардов клеток. Древнегреческие врачи предполагали, что влага материнского дыхания способствует развитию младенца, но сейчас нам известно, что в конечном результате именно ДНК управляет процессами, которые позволяют клеткам размножаться и специализироваться.

Сегодня, так же, как музыкальная партитура указывает, в какой момент какие струны, трубы, ударные и деревянные духовые инструменты включаются в симфонию, комбинация технологий выявляет, когда гены в отдельных клетках включаются, заставляя последних играть свои собственные специализированные партии. Результатом является возможность потрясающе детально отслеживать развитие организмов и органов, клетка за клеткой и на протяжении длительного времени. Журнал Science признает, что у этой комбинации технологий имеется огромный потенциал в стимулировании базовых и медицинских исследований и считает ее главной в номинации «Прорыв 2018 года».

В основе этих достижений лежат методики выделения тысяч интактных клеток из живых организмов, эффективного секвенирования экспрессируемого генетического материала в каждой клетке, а также использования компьютеров и маркировки клеток для восстановления их взаимоотношений в пространстве и времени. Этот технический трифект «трансформирует исследования следующего десятилетия», говорит Николас Раджевский, системный биолог Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Берлине. В отчетах только этого года детально рассказывается о том, как происходит формирование органов и придатков у плоского червя, рыбы, лягушки и других организмов. Группы исследователей по всему миру применяют методики для исследования того, как клетки человека созревают в течении жизни, как ткани восстанавливаются, а также как клетки ведут себя во время болезни.

Возможность изолировать тысячи отдельных клеток и секвенировать генетический материал каждой дает исследователям моментальный ответ на вопрос, какая РНК продуцируется в какой клетке в данный момент. А поскольку последовательности РНК специфичны для генов, которые их производят, исследователи могут увидеть, какие гены активны. Эти активные гены определяют, что делает клетка.

Эта комбинация методик, известная как секвенирование РНК отдельных клеток, развивалась в течение нескольких лет. Но поворотный момент случился в прошлом году, когда две группы показали, что это можно сделать в крупном масштабе, позволяющем отследить раннее развитие. Одна группа использовала секвенирование РНК отдельных клеток для измерения активности генов в 8000 клеток, выделенных одномоментно из эмбрионов дрозофилы. Приблизительно в то же время другая группа исследовала активность генов в 50000 клеток нематоды Caenorhabditis elegans в личиночной стадии. Результаты показали, какие белки, называемые транскрипционными факторами, направляли клетки к дифференцировке в специализированные типы.

В этом году эти и другие исследователи провели еще более расширенный анализ эмбрионов позвоночных. Используя разнообразные сложные вычислительные методы, они связали показатели секвенирования РНК одиночных клеток, взятые в разные моменты времени, что показало включение и выключение наборов генов, определявших типы клеток, образованных в этих более сложных организмах. В одном исследовании было установлено, что одна оплодотворенная яйцеклетка рыбки данио дает начало 25 типам клеток; в другом изучалось развитие лягушки на ранних стадиях формирования органов и было определено, что некоторые клетки начинают специализироваться раньше, чем считалось до сих пор. «Методики позволили ответить на фундаментальные вопросы эмбриологии», — говорит Леонард Зон, биолог, специализирующийся на стволовых клетках в Гарвардском университете.

Исследователи, заинтересованные тем, как некоторые животные могут отращивать конечности или целые тела, также обратились к секвенированию РНК отдельных клеток. Две группы исследовали паттерны экспрессии генов у водных плоских червей планарий (чемпионы по регенерации среди живых организмов) после того, как те были разрезаны на кусочки. Ученые открыли новые типы клеток и траектории развития, которые возникали, когда каждая часть превратилась в отдельный организм. Другая группа отслеживала какие гены включались или выключались у аксолотлей, потерявших переднюю конечность. Исследователи обнаружили, что некоторые зрелые ткани конечностей вернулись в эмбриональное недифференцированное состояние, а затем прошли через клеточное и молекулярное перепрограммирование, которое завершилось ростом новой конечности.

Поскольку для секвенирования отдельных клеток они должны быть удалены из организма, эта методика не может показать, как эти клетки взаимодействуют с соседними или определить потомков клеток. Но теперь с помощью внедрения маркеров в ранние эмбриональные клетки исследователи могут отслеживать клетки и их потомство в живых организмах. Как минимум одна команда подвергает ранние эмбрионы действию мобильных генетических элементов, которые случайным образом оседают в клетках, придавая разные цвета каждой клеточной линии. Другие команды использовали технику редактирования генома, называемую CRISPR, чтобы маркировать геномы отдельных клеток уникальными, подобными штрихкоду идентификаторами, которые затем передаются всем их потомкам. Редактор генома позволяет создавать новые мутации в клетках-потомках, сохраняя при этом оригинальные мутации, что позволяет ученым определить, как происходит ветвление в ходе образования новых типов клеток.

Комбинируя эти методы с секвенированием РНК отдельных клеток, исследователи могут как отслеживать поведение отдельных клеток, так и наблюдать, как они вписываются в широкую архитектуру организма. Используя этот подход, одна команда определила взаимоотношения более чем 100 типов клеток в головном мозге рыбок данио. Для маркировки ранних эмбриональных клеток исследователи использовали CRISPR, затем они изолировали и секвенировали 60000 клеток в разные моменты времени, что позволило отследить активность генов на разных этапах развития эмбрионов рыб.

Эмбрион рыбки данио на ранней стадии развития. Флуоресцентные маркеры отмечают клетки, экспрессирующие гены, которые помогают определить будущие типы клеток. 


Другие группы применяют схожие методики для отслеживания того, что происходит в развивающихся органах, конечностях или других тканях, а также ситуаций, при которых эти процессы могут пойти не так, приводя к порокам развития или заболеваниям. «Это как бортовой регистратор, который позволяет вам посмотреть что пошло не так, а не просто предоставляет снимок конечного результата», — говорит Джонатан Вейсман, занимающийся стволовыми клетками биолог из Калифорнийского университета, Сан Франциско, — «Мы можем задавать вопросы благодаря решению, которое раньше было просто невозможно».

Хотя эти технологии не могут быть использованы непосредственно на развивающихся эмбрионах человека, исследователи применяют методики на человеческих тканях и органоидах, изучая активность генов в клетках и характеризуя типы клеток. Международный консорциум, названный «Атлас клеток человека», 2 года пытается идентифицировать каждый тип клеток человека, его локализацию в организме, а также характер совместной работы клеток в органах и тканях. В одном проекте уже выявлены большинство, если не все, типы почечных клеток, в том числе те, что имеют тенденцию к озлокачествлению. В другом был выявлен характер опосредующих нормальное течение беременности взаимодействий между клетками матери и плода. А коллаборацией 53 институтов и 60 компаний по всей Европе, названной консорциумом LifeTime, предлагается использовать секвенирование РНК отдельных клеток с многоплановой целью понять, что происходит от клетки к клетке, когда в тканях происходят изменения, характерные для рака, диабета и других заболеваний.

Фильмы о развитии и болезнях в высоком разрешении станут более убедительными. В публикациях, уже размещенных онлайн, исследования развития распространяются на все более сложные организмы. А исследователи надеются объединить секвенирование РНК отдельных клеток с новыми методиками микроскопии, чтобы увидеть, где в каждой клетке проявляется ее особая молекулярная активность и как на эту активность влияют соседние клетки.

Революция отдельных клеток только начинается.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.