Ученые проследили историю развития 1,28 млн клеток до первых мгновений жизни

Фото из открытых источников

Ученые реконструировали генеалогическое древо 1,28 миллиона клеток в эмбрионе мыши, показав, как клетки развиваются в различные ткани и органы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Каждая клетка мыши, как и каждая клетка человека, происходит из одной оплодотворенной яйцеклетки. До настоящего времени ученые смогли восстановить полное генеалогическое древо клеток животного только для крошечного прозрачного червя, используя наблюдения, сделанные под микроскопом около 50 лет назад.

Теперь учёные смогли восстановить значительную часть клеточного генеалогического древа эмбриона мыши, используя ДНК. Это генеалогическое древо связывает 1,28 миллиона клеток 13,5-дневного эмбриона с моментом первого разделения яйцеклетки на две клетки. Оно охватывает лишь около 10% клеток этого эмбриона и происходит от одного животного.

Тем не менее, это позволяет определить даты разделения типов тканей у мышей. Авторы написали, что подобная карта долгое время была недоступна для млекопитающих.

Работу возглавил профессор Джей Шендур из Вашингтонского университета и Сиэтлского центра синтетической биологии. Этот центр является результатом партнерства Института Аллена, Медицинского центра Вашингтонского университета и Biohub.

При каждом делении клетка копирует свою ДНК для обеих дочерних клеток. Инструмент, который команда назвала «ДНК-пишущая машинка», превращает это копирование в запись. Этот инструмент добавляет в клетку короткие полоски ДНК, каждая из которых имеет шесть пустых ячеек. Генный редактор записывает небольшую метку в следующую пустую ячейку, по одной за раз и всегда в правильном порядке.

Дочерние клетки наследуют все метки и продолжают добавлять свои собственные, поэтому близкие родственники разделяют все больше меток. Ранее команда использовала этот регистратор только в чашках Петри с клетками и в лабораторных моделях ранних эмбрионов.

На этот раз они ввели его в оплодотворенные яйцеклетки мышей и собрали эмбрионы на 13,5 день, примерно на двух третях срока беременности у мышей. Исследователи сосредоточили внимание на одном эмбрионе, в каждом из которых было по 11 полосок.

С помощью считывания меток с 1,58 миллиона клеточных ядер они отсортировали каждую клетку по одному из 138 типов в зависимости от используемых в ней генов. К тому моменту регистратор заполнил большую часть имеющихся у него ячеек.

В самом начале процесс записи был наиболее напряженным. Примерно во время первого деления яйца он записывал около 20 меток в каждую из двух новых клеток, придавая каждой из них свою собственную «подпись».

«Нас удивило, насколько активно оценивались работы уже на первом этапе», — сказал соавтор исследования Хэдон Ким. «Это позволило нам получить две естественные, независимые копии одного и того же эксперимента в пределах одного эмбриона, так что мы могли дважды проверить каждый результат».

Первые две клетки внесли неравный вклад. Из тех клеток, которые удалось отследить команде, около 57% принадлежали одной из них, а около 42% — другой. Однако обе клетки произвели практически одинаковый набор типов клеток. Одна из первых двух клеток сформировала большую часть эмбриона, но ни одна из них не отдавала предпочтение каким-либо конкретным тканям.

Исследовательская группа не брала образцы плаценты или других тканей вне эмбриона, поэтому механизм разделения в этой области до сих пор неизвестен.

Затем команда изучила около 3850 клеток-предков, которые были размещены в древе на 7-й день. Примерно в это время клетки эмбриона впервые сортируются на основные слои, из которых формируются органы. Каждый из них оставляет после себя семейство потомков, и эти семейства далеко не равны по численности.

Всего 170 из них составили половину отслеженных клеток на 13,5-й день. Если бы каждая семья росла с одинаковой скоростью, потребовалось бы около 720, чтобы достичь половины. Дисбаланс быстро нарастал и перестал увеличиваться примерно к 9-му дню.

В более раннем исследовании на мышах, в котором клетки метили ДНК-штрихкодами, также были обнаружены семейства очень разного размера, но не удалось определить, когда именно возникли эти различия. Некоторые семейства отдавали предпочтение определенным тканям. Двадцать из них составляли всего 5% эмбриона, но 51% из его 4178 нервных клеток, отвечающих за обоняние.

Однако к седьмому дню эти клетки уже расположились в разных частях эмбриона. Авторы написали, что эта закономерность может отражать скорее местоположение, чем судьбу.

На вершинах дерева клетка и ее ближайший выбранный родственник принадлежали к одному и тому же типу клеток в 51% случаев. Это в 9,4 раза больше, чем при случайном сопоставлении. Для клеток, из которых впоследствии формируются легкие, этот показатель составил 145 раз. Команда построила дерево, используя только метки, ни разу не указав, какая ячейка к чему относится.

Тем не менее, группировка клеток по общим предкам позволила разделить их на семейства, соответствующие клеткам крови, развивающемуся головному и спинному мозгу, кишечнику и его органам, а также наружной коже.

Команда также измерила, насколько далеко в прошлое родственные типы клеток все еще имели общих предков, получив данные в диапазоне примерно от 8 до 13 дней. Полученные данные совпали с тем, что биологи собирали по крупицам о развитии мышей на протяжении десятилетий.

«Все типы клеток берут свое начало в процессе развития, и такие карты могут позволить получить представление о тысячах генетических заболеваний, возникающих в ходе развития», — сказал Шендур.

Все данные получены из одного эмбриона. Команда проверила результаты, сравнив семейства первых двух клеток. Авторы написали, что полученные данные являются предварительными, пока их не подтвердят другие животные.

Указанные даты приблизительны. Наименее надежны они на самых ранних стадиях деления клеток, когда скорость записи замедлялась на несколько дней, а также в клетках крови, где запись происходила медленнее.

Кроме того, дерево не может показать, размножались ли более крупные семейства клеток за счет более быстрого деления или лучшей выживаемости, поскольку оно учитывает только выжившие клетки.

Запись попала внутрь некоторых собственных генов эмбриона, и в результате один из них, называемый Chd3, стал менее активным. Его влияние на дерево неизвестно. На 13,5 день у многих из этих эмбриональных полосок закончились места для записи. Авторы подсчитали, что 50 полосок по 20 мест на каждой будет достаточно для продолжения записи до взрослого возраста.