Впервые исследователям удалось проследить генетические программы, которые управляют развитием каждой клетки в ранних эмбрионах. Удивительно, но даже клетки, которые изначально различаются, в итоге могут стать одинаковыми. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
На этом покадровом видео оплодотворенная яйцеклетка лягушки Xenopus проходит первые этапы клеточного деления. Ученые отследили, как эти клетки определяют свою дальнейшую судьбу, измеряя, какие гены экспрессируются в каждой из них в течение первых часов жизни.
Введение
Оплодотворенная яйцеклетка сначала делится на две клетки, затем на четыре, потом на восемь и так далее. Тем временем эти клетки эволюционируют от недифференцированных скоплений в кластер к более разнообразным структурам, связанным с сердцем, мозгом, мышцами, кровью, костями и другими тканями. Хотя общий процесс хорошо изучен, ученые до сих пор не смогли детально его понять.
Однако три статьи, опубликованные сегодня в журнале Science, меняют это положение дел, поскольку в них представлены результаты работы, имеющей важное значение для области биологии развития. Используя сочетание секвенирования генов и математических методов, исследователи проследили закономерности экспрессии генов в каждой клетке эмбрионов рыбок данио и западных когтистых лягушек на протяжении многих стадий развития в течение первых 24 часов.
Результаты позволили выявить с ранее недоступной детализацией и в таком масштабе генетические и онтогенетические траектории развития эмбриональных клеток до их окончательной судьбы в полностью дифференцированных тканях. Также появились неожиданные новые данные: многие биологи, например, считали, что эмбриональные клетки всегда следуют разветвленным путям к зрелости, которые необратимо определяют их судьбу. Но новые данные указывают на то, что клетки могут, по сути, иногда «возвращаться назад», следуя по другому пути, и что клетки с разной историей развития иногда могут в конечном итоге стать клетками одного и того же типа.
По мнению экспертов в этой области, мощные методы, использованные в этих отчетах, открывают новые горизонты в изучении развития, клеточных судеб и заболеваний. «Какую бы ткань вы ни изучали, в этом наборе данных найдется что-то, что вас заинтересует», — сказал Бертольд Гёттгенс, молекулярный биолог из Кембриджского университета, который не участвовал в исследовании, но проводил аналогичную работу с эмбрионами мышей. По его словам, подобно тому, как развитие секвенирования генома поставило биологию на новый уровень, «эти фундаментальные данные выдержат испытание временем. Это станет важной вехой, к которой люди будут возвращаться».
«Подобные данные открывают целую вселенную возможностей», — сказал Александр Шир, клеточный биолог из Гарвардского университета и один из авторов одного из исследований. «Раньше, когда мы могли работать только с несколькими генами, несколькими клетками или несколькими стадиями развития, это было похоже на то, как если бы мы видели две или три звезды. Теперь же мы внезапно можем увидеть целую галактику».
Традиционно биологи-эмбриологи окрашивали клетки делящегося эмбриона и отслеживали их пространственную траекторию, или же целенаправленно воздействовали на определенные гены и изучали их влияние на организм. В последнее время они также используют методы редактирования для интеграции «штрих-кодов» в клеточную ДНК; по мере деления клеток эти «штрих-коды» претерпевают мутации, которые можно использовать для определения общих клеточных линий.
Исследование, опубликованное в журнале Science, использует другой подход. В двух своих статьях системные биологи из Гарварда Аллон Кляйн, Марк Киршнер, Шон Мегасон и их коллеги измерили экспрессию матричной РНК в каждой из клеток; в одной из статей эти данные были объединены с технологией штрих-кодирования. Данные о матричной РНК определяли идентичность каждой клетки на основе экспрессируемых ею генов, а штрих-кодирование предоставляло информацию о происхождении этой клетки — своего рода «семейную историю».
Анализ этих данных подтвердил многие выводы, сделанные другими учеными после многолетних кропотливых исследований. «Было захватывающе увидеть, что в наших данных заложены результаты многолетних исследований в области биологии развития», — сказал Кляйн.
Но их эксперименты также привели к новым открытиям. «С помощью старых методов можно было представить себе [аналог] карты на уровне города. Но вы все равно не знали, что отличает, скажем, Филадельфию от Питтсбурга», — сказал Леонард Зон, биолог, специализирующийся на стволовых клетках, из Гарвардской медицинской школы, который не принимал участия в исследованиях. «Теперь вы получаете описание этого признака: как он устроен, откуда он взялся, что он делает».
Процесс развития часто представляют в виде дерева, у основания которого находится оплодотворенная яйцеклетка, а затем клетки разветвляются и специализируются, пока не появятся все типы клеток. И на первый взгляд это действительно так выглядит: группа Шира, изучавшая эмбрионы рыбок данио в течение первых 12 часов, подтвердила эту топологию.
Однако на более поздних стадиях, по словам Кляйна, «представление о развитии в виде дерева может быть не совсем точным описанием происходящего». Вопреки старым предположениям, ветви иногда сходятся, образуя замкнутый круг на одном и том же пути. Клетки с совершенно разной историей развития могут в итоге достичь очень похожих результатов.
Короче говоря, клетки могут быть более пластичными, чем считали ученые, и действительно могут относительно поздно принимать решение о превращении в определенные ткани. «Это еще один способ понять, как создаются ткани», — сказал Зон.
Кляйн добавил, что это открытие затрагивает более широкий вопрос о том, что на самом деле происходит в процессе развития, и о значении всех этих промежуточных состояний для клеток, которые не войдут в состав взрослого организма. Если бы единственной целью развития было создание определенных типов клеток, то теоретически необходимые генетические программы могли бы запускаться в клетках сразу: зрелые мышцы, кости, нервы и другие ткани могли бы присутствовать в эмбрионах практически с самого начала. Но вместо этого развитие — это процесс, и нужные клетки должны появляться в нужное время и в нужном месте, чтобы заложить основы роста и трансформации в эмбрионе. Клетки в переходных состояниях могут иметь уникальные функции и значение для развития сами по себе, а не просто как шаги к какой-то цели. Разные части эмбриона требуют разных промежуточных этапов, даже если в конечном итоге они дадут начало одному и тому же типу клеток.
Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.Видео: Эти покадровые видеоролики демонстрируют различные стадии развития лягушки. В первом видео единственная клетка оплодотворенной яйцеклетки многократно делится, образуя эмбрион, представляющий собой шар из клеток. Во втором видео эмбрион начинает формировать более выраженный план строения тела: отверстия превращают полый шар из клеток в трубку, а ткани складываются, образуя нервную трубку — предшественника центральной нервной системы. В третьем видео показан крупный план морды эмбриональной лягушки, когда начинают формироваться глаза.
Это не единственный вид клеточной пластичности, который, похоже, нарушает метафору дерева. Группа Шира обнаружила, что некоторые клетки экспрессируют молекулы-маркеры, которые определяют их дальнейшую судьбу в процессе развития: даже если они, казалось бы, уже движутся по одному пути, соответствующие внешние сигналы могут направить их на другой. Шир предполагает, что эти клетки могут находиться на границе между тканями. Вместо того чтобы следовать точным инструкциям по превращению в тот или иной тип ткани, они сохраняют неопределенность, так что могут стать любыми из них в зависимости от локальных взаимодействий и сигналов.
Недавно обнаруженная пластичность развивающихся клеток может ошеломить, но исследователи из Гарварда также надеются найти общие закономерности в своих данных, которые позволят уменьшить эту сложность. Кляйн и его коллеги сделали удивительное открытие: из генов белков, общих для изученных ими рыбок зебры и лягушек, только 30 процентов экспрессировались по схожим схемам со статистической значимостью. Остальные гены у животных экспрессировались совершенно по-разному, что предполагает, что гены адаптировались в своих программах экспрессии в ходе эволюции. Сохранение белков на уровне последовательности, по-видимому, не связано с сохранением их экспрессии в процессе эволюции.
«Это стало настоящим шоком, — сказал Кляйн. — На какое-то время нам стало не по себе». Но это также показало «еще один способ, которым эволюция может вмешиваться в процесс».
Он и его коллеги надеются, что другие исследователи распространят эти сравнительные исследования на остальную часть древа жизни. Гёттгенс, например, применяет этот подход для изучения как формирования кровеносной системы, так и самой ранней диверсификации клеток, которая приводит к образованию сердца у эмбрионов мышей. Его работа сосредоточена на выделении генов, играющих ключевую роль в этих процессах — то же самое стремятся сделать группы Кляйна и Шира, вводя мутации и наблюдая, как они влияют на принятие решений клетками.
Благодаря еще большему объему данных, полученных от более широкого круга организмов, исследователи могли бы задавать более широкие вопросы о том, как развитие адаптировалось на протяжении эволюционной истории и как в результате этого эволюционировали и возникли типы клеток. Возьмем, к примеру, различия, которые Кляйн и его команда наблюдали между уровнями экспрессии генов у рыбки зебры и лягушки: если бы ученые смогли найти какое-то объяснение тому, какие гены сохранились, а какие нет, это помогло бы им установить основные правила развития. (В настоящее время, как объясняет Кляйн, похоже, что гены с сохранившимися паттернами экспрессии, как правило, являются транскрипционными регуляторами, что предполагает, «что эволюция заложила основы того, как развиваться, в то время как то, что значит быть определенным типом клетки, подвергалось адаптации».)
Ученые с нетерпением ждут результатов этой работы на ранних стадиях развития эмбриона, когда клетки тканей и органов дифференцируются еще сильнее. Команда Шира в настоящее время расширяет свою работу, например, на мозг, который включает гораздо больше типов клеток, чем 25, которые они картировали в текущем исследовании. Эта работа в конечном итоге может дать важные сведения о том, как развиваются заболевания. «Если мы не знаем, скажем, как формируются все различные части сердца, то трудно понять, что именно идет не так при врожденном пороке сердца», — сказал Гёттгенс.
Преимущества этих знаний могут распространяться и на потенциальные методы лечения. Технологии Кляйна и Шира предоставляют рецепт создания определенных типов клеток, который можно использовать в регенеративной медицине для целенаправленного управления судьбой клеток. Знание того, когда следует включать или выключать определенные гены, а также учет пластичности клеток и важности их промежуточных стадий, может значительно помочь биоинженерам в создании более качественных тканей. Это также может помочь исследователям улучшить методы лечения рака. Более точно определяя типы клеток в опухоли и их индивидуальную историю, исследователи могли бы более эффективно воздействовать на клетки, которые являются более злокачественными или устойчивыми к лекарствам.
Тем временем, однако, группы исследователей из Гарварда хотят определить механизмы, лежащие в основе описанных ими клеточных решений, — понять, как различные факторы влияют на эти пути, почему точки ветвления возникают именно там, где они возникают, и какие гены отвечают за эти события. Кляйн надеется, что такие исследования позволят выявить некую общую логику, лежащую в основе их выводов. Тогда, несмотря на уже наблюдаемую сложность, «мы, возможно, поймем, что развитие проще, чем мы думаем», — сказал он.
Исправление: 13 июня в титрах к трем видеороликам, снятым в режиме замедленной съемки, были внесены изменения, указывающие на авторов — Хью Уильямса и Джеймса Смита.
Источник: www.quantamagazine.org
