Учёные восстановили подробное родословное дерево клеток развивающегося эмбриона мыши, проследив их происхождение до момента первых делений оплодотворённой яйцеклетки и записав, когда клетки становились специализированными.
Запись охватывала первые 13,5 дней эмбрионального развития, предоставив детальное представление о том, как образуется тело млекопитающего и как формируются отдельные органы и ткани.
ДНК-пишущая машинка фиксирует историю клеток
Для записи использовали технологию DNA Typewriter — систему, которая встраивается в геном эмбриона и оставляет наследуемые метки в ДНК по мере деления клеток. Эти отметки аккумулируются в определённой последовательности, что даёт возможность в дальнейшем вычислительно восстановить родственные связи между клетками.
Исследователи вставили в геном оплодотворённой яйцеклетки специальную «ленту» для записи и доработали её конструкцию так, чтобы упростить извлечение и чтение информации из отдельных клеток. Поскольку метки передаются дочерним клеткам, по совпадающим фрагментам записи можно выделять ветви родословного дерева.
Преодоление ограничений предыдущих методов
Ранее применявшиеся методики часто создавали отметки путём разрезания ДНК, что могло повреждать клетки и стирать предыдущие записи; ёмкость таких систем для накопления информации была ограничена, а порядок появления меток мог быть нефиксированным. DNA Typewriter позволяет записывать метки в строгом порядке и с меньшими повреждениями, что повышает разрешение и продолжительность записи.
Проследили линии до первых двух клеток эмбриона
Из начальной партии оплодотворённых яйцеклеток для анализа получили несколько эмбрионов; один образец сохранил наиболее обширную запись, и на нём провели детальный анализ. Записи зафиксировали различающую отметку, появившуюся сразу после первого деления зиготы, что позволило отнести подавляющее большинство исследованных клеток к одной из двух исходных клеток.
Хотя одна из первых двух клеток дала в целом больше потомков, обе произвели сходный набор специализированных типов клеток, то есть ранний вклад в развитие организма оказался по составу сопоставим.
Когда клетки «выбирают» свою роль
Анализ родословного дерева показал, в какие моменты разные группы клеток начинают закреплять свою будущую функцию. Некоторые ткани, например кровяные клетки и сетчатка, дифференцировались относительно рано, тогда как внешний слой кожи определялся заметно позже. Переход от пластичности к устойчивой специализации происходит не одновременно по всему эмбриону: разные линии следуют собственным временным графикам.
Значение для медицины и биологии
Понимание временных и родословных закономерностей специализации клеток помогает выяснить механизмы, приводящие к врождённым дефектам и другим нарушениям развития, а также даёт представление о процессах, связанных с аномальным ростом клеток при онкологических заболеваниях. Такой подход также может поддержать работы по направлению дифференцировки стволовых клеток для регенеративной медицины.
Хотя исследование проводилось на эмбрионах мышей и не является прямым медицинским лечением, метод демонстрирует мощный инструмент для изучения решений, формирующих развивающийся организм.
Авторы работы включают группу исследователей, среди которых разработчики подхода и участники эксперимента, которые описали детальную запись родословных линий клеток от зиготы до поздней органогенеза.
