Система записи в ДНК показывает, как одна клетка превращается в тело
Ученые зафиксировали, как одна оплодотворенная яйцеклетка превращается в сложный организм, выявив скрытые закономерности развития, которые могут пролить свет на врожденные дефекты и рак.
Исследователи восстановили поразительно подробное родословное дерево клеток развивающегося эмбриона мыши, прослеживая их происхождение до момента, когда оплодотворенная яйцеклетка впервые разделилась на две клетки. С помощью инновационной технологии записи в ДНК ученые отслеживали, как эти ранние клетки делились, приобретали специализированные роли и в конечном итоге участвовали в формировании тела с отдельными органами и тканями.
Запись охватывала первые 13,5 дней эмбрионального развития, предоставив необычно детальное представление о том, как формируется сложное тело млекопитающего. (Полный срок беременности у мышей составляет 19–21 день.)
Результаты, опубликованные 8 октября 2026 года в журнале Science, могут помочь ученым лучше понять нормальное развитие и то, что происходит, когда этот процесс идет неправильно.
«Нас интересует отслеживание того, как раннее происхождение клеток в эмбрионе влияет на их последующие судьбы. Изучение линий клеток помогает расшифровать нормальное развитие. Такие исследования в перспективе могут расширить знания о врожденных пороках, нейроразвитийных состояниях, генетических заболеваниях или раке», — сказал доктор Джей Шендуре, профессор наук о геноме в Школе медицины Вашингтонского университета в Сиэтле и исследователь Института Говарда Хьюза.
Шендуре возглавил исследование совместно с доктором Ченсян Цю, молекулярным и системным биологом из Даремского колледжа в Нью-Гэмпшире. Оба выступили старшими авторами исследования.
ДНК-пишущая машинка записывает историю живых клеток
Достижение стало возможным благодаря технологии под названием DNA Typewriter (ДНК-пишущая машинка), разработанной Шендуре и Джунхоном Чой, который сейчас работает в Онкологическом центре Слоун Кеттеринг.
Вместо простого наблюдения за делениями клеток система позволяет ученым сохранять запись их истории непосредственно в их ДНК.
Для этого исследователи вставили переработанную последовательность для записи, которую они называют лентой, в геном оплодотворенной мышиной яйцеклетки. Обновленный дизайн упростил извлечение информации, хранящейся в отдельных клетках.
По мере развития эмбриона ДНК-пишущая машинка оставалась встроенной в генетический материал его клеток, фиксируя их деления таким образом, чтобы позднее можно было восстановить их родословие. Результат был чем-то вроде биологического журналирования, документирующего последовательность событий, приведших к появлению разных популяций клеток.
«Думайте об этом как об обычной пишущей машинке, только она печатает не на бумаге, а на собственной ДНК клетки», — объяснил Хэдонг Ким, соавтор статьи и постдоктор в области геномных наук в UW Medicine, Сиэтлском центре синтетической биологии и Институте Говарда Хьюза. «Каждый раз, когда клетка делится, она добавляет один новый символ на следующую пустую строку — всегда в порядке, никогда не стирая уже записанное. Поскольку символы заполняются в последовательности, сама эта последовательность и показывает историю делений клетки».
Поскольку эти отметки передаются дочерним клеткам, исследователи могут изучать записанные последовательности и идентифицировать, какие клетки произошли от общего предка. Клетки с совпадающими частями записи связываются вместе, что позволяет реконструировать ветви эмбрионального родословного дерева.
«Запись — это только половина проблемы. Еще нужно уметь считать ее из каждой клетки, поэтому мы переработали ленту, чтобы это было проще», — сказал Ким.
Преодоление серьезной проблемы эмбриональной биологии
Восстановление всей истории развивающегося млекопитающего долгое время оставалось сложной задачей. По мере роста эмбриона клетки многократно делятся и начинают приобретать специализированные функции. Отслеживать эти взаимоотношения становится все труднее по мере увеличения числа и разнообразия клеток.
Похожий подвиг был выполнен несколько десятилетий назад в крошечной нематоде, но у этого животного относительно простое тело с гораздо меньшим числом клеток. Прозрачность нематоды также упрощает изучение развития.
У млекопитающих все значительно сложнее. Ранние технологии давали важные сведения о развитии мышиных эмбрионов, но, как правило, охватывали только части более крупного родословного дерева клеток.
Некоторые традиционные методы записи имеют существенные ограничения. Они действуют, разрезая ДНК для создания идентифицирующих меток, что может повредить клетки и стереть информацию, оставленную предыдущими делениями. Их емкость для записи ограничена, и поскольку метки не обязательно создаются в фиксированной последовательности, ученым затем приходится восстанавливать порядок событий постфактум.
«DNA Typewriter избегает всего этого», — сказал Ким. «Она пишет, не полностью разрывая ДНК, ведет запись относительно равномерно и записывает все в строгом порядке, так что мы можем фиксировать родословные с гораздо более высоким разрешением и дольше».
Проследить эмбрион до его первых двух клеток
Исследователи начали с попытки записать развитие в 100 оплодотворенных мышиных яйцеклетках. Из них для анализа в итоге оказалось доступно 10 эмбрионов.
Один образец, обозначенный как Эмбрион № 3, выделялся тем, что его система записи ДНК сработала особенно хорошо и сохранила наиболее обширную историю развития. Поэтому ученые сосредоточили подробный анализ на этом эмбрионе.
Одно из важнейших открытий было получено из записи, сделанной в самом начале развития — сразу после того, как оплодотворенная яйцеклетка впервые разделилась.
«Наша запись зафиксировала явную, постоянную отметку, различающую две самые первые клетки, что позволило нам проследить почти каждую профильную клетку эмбриона обратно к одной или другой», — сказал Ким. «Одна из этих двух исходных клеток действительно дала больше потомков, чем другая, но они произвели разнообразные типы клеток в почти равных пропорциях».
Это означало, что хотя одна из первоначальных клеток вносила больше потомков в общей сложности, обе исходные клетки дали начало поразительно сходному набору специализированных типов клеток.
Это открытие иллюстрирует, как теперь ученые могут исследовать самые ранние стадии развития с уровнем детализации, который ранее было трудно достичь.
Ученые выяснили, когда клетки выбирают свою роль
ДНК-записи также дали важную информацию о том, когда клетки начинают закреплять свои будущие роли в теле.
Ранние эмбриональные клетки могут дать начало многим типам тканей. По мере развития их потомки постепенно становятся более специализированными, в конечном итоге формируя такие структуры, как нервная система, кожа, кровь и глаз.
Воссоздав ветви родословного дерева клеток эмбриона, исследователи смогли определить, когда разные группы клеток начали следовать отдельным путям развития.
Наблюдения согласуются с выводами, полученными за десятилетия предыдущих исследований, но новый подход позволил изучить эти закономерности в рамках одного развивающегося эмбриона мыши.
«Кровяные клетки и сетчатка определялись относительно рано, в то время как внешний слой кожи не определился до заметно более позднего времени», — объяснили авторы. «Судьба клеток не фиксировалась одновременно для всего эмбриона. Разные типы клеток становились идентичными по своим ролям в разное время, некоторые — рано, некоторые — поздно».
Эти результаты показывают, что переход от гибкой, неспециализированной клетки к клетке с конкретной биологической функцией не происходит синхронно по всему эмбриону.
Вместо этого разные ткани следуют своим собственным временным графикам развития. Некоторые клетки начинают сокращать свои потенциальные пути развития рано, тогда как другие дольше остаются гибкими, прежде чем закрепиться в определенной роли.
Что это может значить для врожденных дефектов, рака и стволовой терапии
Понимание того, как именно клетки приобретают свои идентичности, в перспективе может иметь важные медицинские последствия.
Многие нарушения развития возникают, когда нормальный процесс специализации клеток или формирования тканей нарушается. Рак также включает аномальное поведение клеток, в том числе сбои в механизмах, которые обычно регулируют рост и деление клеток.
Отслеживая происхождение клеток и выявляя, когда появляются разные пути развития, ученые могут получить более четкое представление о том, как начинаются эти проблемы.
«Такого рода масштабная запись развития дает ученым карту того, как одна клетка превращается в целое тело — что помогает объяснить, как органы формируются правильно, как этот процесс может пойти не так при врожденных дефектах и как аномальный рост клеток ведет к раку. По мере развития инженерии стволовых клеток такого рода запись также может помочь направлять, как мы создаем клетки для терапевтического применения».
Хотя работа была проведена на эмбрионах мышей и пока не представляет собой прямого медицинского лечения, она демонстрирует мощный способ изучения биологических решений, формирующих развивающийся организм.
Подход также может поддержать будущие исследования стволовых клеток, особенно усилия по направлению клеток к определенной идентичности для регенеративной медицины и других терапевтических применений.
Дополнительными соавторами, указанные как соавторы, внесшие равный вклад, были Ци Ю и Софи Сейдель, обе аффилированы с Департаментом наук о геноме Школы медицины Вашингтонского университета и Сиэтлским центром синтетической биологии.
Шендуре является ведущим научным директором Сиэтлского центра синтетической биологии. Он также научный директор Института точной медицины UW Medicine Brotman Baty и Института Аллена по трассировке клеточных линий.
Исследование получило поддержку от Сиэтлского центра синтетической биологии, являющегося сотрудничеством Института Аллена, BioHub и Школы медицины Вашингтонского университета (CZIF2023-008738); Центра открытий Поля Г. Аллена по трассировке клеточных линий; Института точной медицины UW Medicine Brotman Baty; Фонда исследований штата Вашингтон; Национальных институтов здоровья (R00HG012973 и P30CA008748); Фонда исследований рака Дэмона Ранйона (DFS-64-24); награды Searle Scholars (SSP-2025-101); Центра количественной биологии Дарема при поддержке гранта Национального института общих медицинских наук (P20GM130454); и Швейцарского национального научного фонда (239394).
Материалы предоставлены Школой медицины Вашингтонского университета/UW Medicine. Примечание: содержание могло быть отредактировано в целях стиля и объема.
Авторы: Ци Ю, Хэдонг Ким, Софи Сейдель, Джеймс Ф. Акоста-Кларк, Бет К. Мартин, Кайл О’Коннор, Риза М. Даза, Молли Гасперини, Дженни Ф. Натанс, Мэгги Лам, Елена Гамо, Шрути Виджай Кумар, Лорен Куо, Жан-Бенуа Лаланн, Камен П. Симеонов, Марион Пеппер, Коул Трапнелл, Джесси М. Грей, Джунхон Чой, Ченсян Цю, Джей Шендуре. «A DNA Typewriter records the cell lineage history of a mouse, from zygote to late organogenesis.» Science, 2026; DOI: 10.1126/science.ael0508.
