Jedną z wielkich tajemnic biologii jest to, jak z pojedynczego, zapłodnionego jaja powstaje wielu rodzajów komórek, tkanek i narządów, które pasują do siebie, tworząc cały organizm. Naukowcy dzięki połączeniu technologii sekwencjonowania pojedynczych komórek i narzędzi obliczeniowych dostarczyli najbardziej szczegółowy obraz tego procesu.

Niezależnie od tego, czy mówimy o robaku, człowieku czy płetwalu błękitnym, całe życie wielokomórkowe zaczyna się jako jednokomórkowe jajo. Z tej samotnej komórki wyłania się cała masa innych, które są potrzebne do zbudowania kompletnego organizmu. Każda nowa komórka rozwija się w odpowiednim miejscu i we właściwym czasie, aby wykonać precyzyjną funkcję w koordynacji z sąsiednimi komórkami.

To jeden z najbardziej niezwykłych procesów w naturze i pomimo dziesięcioleci badań i prób stworzenia pełnej mapy ekspresji genów, zrozumienie tego procesu wymykało się naukowcom. Postęp technologiczny w zakresie sekwencjonowania DNA i algorytmów komputerowych umożliwił analizę ekspresji tysięcy genów w pojedynczej komórce.

Na łamach magazynu „Science” ukazały się trzy artykuły naukowe, w których badacze opisują swoje obserwacje aktywności genów w komórkach w zarodkach popularnej ryby akwariowej – danio pręgowanego – oraz w zarodkach żab. Celem było sporządzenie swoistej mapy drogowej, która pokazuje, w jaki sposób jedna komórka buduje cały organizm.

Odkrycia stanowią katalog genetycznych „receptur” do generowania różnych typów komórek. Naukowcy z Harvard Medical School (HMS) oraz Harvard University prześledzili losy poszczególnych komórek w ciągu pierwszych 24 godzin życia zarodków. Ich analizy ujawniają proces, w którym geny są włączane lub wyłączane, a komórki embrionalne przechodzą w nowe stany i nowe typy.

 

– Dzięki sekwencjonowaniu pojedynczych komórek możemy w ciągu jednego dnia podsumować dziesiątki lat żmudnych badań nad decyzjami podejmowanymi przez komórki na najwcześniejszych etapach życia – powiedział Allon Klein z HMS współautor dwóch z trzech badań opublikowanych w „Science”. (pierwszy artykułdrugi artykuł)

– Poza tym, że rzuca nowe światło na wczesne etapy życia, nasza praca może otworzyć drzwi do nowego zrozumienia wielu chorób – ocenił Alexander Schier z Harvard University, współautor trzeciej z wymienionych wcześniej publikacji. – Każdy złożony proces biologiczny, w którym komórki zmieniają ekspresję genów w czasie, może zostać zrekonstruowany przy użyciu opracowanego przez nas podejścia. Nie tylko rozwój zarodków, ale choćby rozwój nowotworów czy chorób neurodegeneracyjnych mózgu– dodał.

Każda komórka rozwijającego się zarodka nosi w sobie kopię pełnego genomu organizmu. Podobnie jak pracownicy budowlani używający podczas układania fundamentów budynku odpowiedniej części planu, komórki muszą wyrażać niezbędne geny w odpowiednim czasie, aby zarodek rozwijał się prawidłowo.

Badacze analizowali ten proces u danio pręgowanego oraz afrykańskiej żaby szponiastej. To dwa z najlepiej zbadanych gatunków w biologii. Skorzystali oni z technologii sekwencjonowania pojedynczych komórek do wychwytywania danych dotyczących ekspresji genów z każdej komórki zarodka. Łącznie, w ciągu 24 godzin, zespół profilował ponad 200 tysięcy komórek w różnych punktach czasowych.

Aby odwzorować drogę każdej komórki w miarę rozwoju zarodka, wraz z dokładną sekwencją zdarzeń ekspresji genów, które zaznaczają nowe stany i typy komórek, zespoły naukowców współpracując ze sobą opracowały nowe techniki obliczeniowe, w tym wprowadzenie sztucznych kodów kreskowych DNA w celu śledzenia zależności między komórkami.

Efektem prac jest coś na kształt komórkowego drzewa genealogicznego, które ujawniło, jak zmienia się ekspresja genów w różnych typach komórek podczas ich specjalizacji.

Śledzenie rozwoju zarodków pozwoliło naukowcom obserwować, jak komórki przyjmują wyspecjalizowane role, na przykład zmieniają się w tkankę nerwową lub skórę. Czasem komórki, które wydawały się stworzone tylko do jednego zadania, przyjmowały inne role. – Komórki są bardziej plastyczne, niż moglibyśmy przypuszczać – zaznaczył Schier.

Odkrycia zespołów odzwierciedlają w przypadku obu gatunków wiele z tego, co było wcześniej wiadomo o postępie rozwoju zarodków. Dało to pewność badaczom, że idą dobrą drogą. Ale analizy dokonane nowymi instrumentami ujawniły w szczegółach kaskady zdarzeń, które przenoszą komórki z wczesnych stanów „ogólnych” do bardziej wyspecjalizowanych o ​​wąsko zdefiniowanych funkcjach.

Badacze zidentyfikowali też  inne trudne do wykrycia szczegóły, takie jak rzadkie typy komórek i ich podtypy oraz powiązały nowe i wysoce specyficzne wzory ekspresji genów z różnymi liniami komórkowymi. W kilku przypadkach odkryli, że typy komórek pojawiały się znacznie wcześniej, niż dotąd przypuszczano.

Efektem tych badań może być znaczny postęp w wielu gałęziach medycyny. W medycynie regeneracyjnej naukowcy od dziesięcioleci mają na celu manipulowanie komórkami macierzystymi w kierunku określania ich specyfikacji, by zastąpić wadliwe komórki, tkanki lub narządy. Zebrane podczas badań dane mogą pomóc przyspieszyć pojawianie się określonych typów komórek.

– Jeśli ktoś chce stworzyć określony typ komórki, ma teraz do dyspozycji przepis, a właściwie odwzorowane etapy, które te komórki przeszły w procesie formowania. W pewnym sensie ustanowiliśmy złoty wzorzec postępowania – wyjaśnił Klein.

Wyniki prac pokazują, że droga od pojedynczej komórki do w pełni uformowanego organizmu jest znacznie bardziej dynamiczna, niż do tej pory sądzono. Obraz rozwoju, który uzyskali badacze, jest bardziej płynny niż ten opisany w podręcznikach do biologii.

Teraz, gdy techniki i algorytmy zostały już opracowane, szereg naukowców będzie z nich korzystał stosując je do szerokiej gamy stworzeń, by prześledzić ich rozwój. – Zrozumienie, w jaki sposób ewolucja zmodyfikowała dynamikę ekspresji genów rozwojowych w celu stworzenia każdego nowego typu komórek i narządu, będzie fascynujące – stwierdził Klein.

– Możemy teraz rekonstruować trajektorię prawie wszystkich komórek i wszystkich genów podczas embriogenezy. To prawie jak przejście od widoku kilku gwiazd do ujrzenia całego Wszechświata – powiedział Schier.

 

 

 

 

Źródło: NatureScience DailyScience, DziennikNaukowy