Ученые смогли зафиксировать, какие гены активны в разных клетках эмбрионов рыб и лягушек на разных стадия развития. Подобные исследования могут стать основой новых подходов к выращиванию тканей, в том числе для медицинских целей. Три статьи с результатами работы опубликованы в журнале Science.

Способность целых организмов развиваться из отдельной оплодотворенной яйцеклетки — это одна из самых больших загадок в биологии. С течением времени эта клетка порождает множество клеток разных типов, разнообразные ткани и органы, согласованно работающие как единый организм. В новых работах, использующих как последние достижения в области секвенирования геномов отдельных клеток, так и развитие вычислительных методов, этот процесс показывается с беспрецедентным уровнем детализации. Для этого биологи растворяли эмбрионы на различных стадиях, разделяли на отдельные клетки и секвенировали все матричные РНК, которые показывают, какие гены активны в данный момент.

Коллектив из Гарвардского университета под руководством Аллона Клейна изучал развитие эмбрионов рыбы данио-рерио и лягушек — стандартных модельных организмов во многих областях биологии. В случае рыб исследователи проанализировали активность генов суммарно 92 000 клеток на семи стадиях развития от четырех часов до суток, когда начинают появляться зародыши основных органов. Для того, чтобы отслеживать временные изменения клеток и их потомства, ученые снабдили некоторые эмбрионы множеством уникальных генетических меток. В результате можно было восстановить «генеалогию» каждой клетки, что в совокупности со знанием об активных генах позволило выяснить, как из яйцеклетки получаются специализированные клетки, формирующие сердце, нервы или кожу.

Деление клеток рыбки данио рерио. Источник видео: Fengzhu Xiong and Sean Megason/Harvard Medical School

В работе другой группы биологов из Гарварда под руководством Александра Шира «родословную» клеток восстанавливали при помощи компьютера. Ученые измеряли активность генов каждые 45 минут вплоть до девятичасового возраста эмбриона. Затем программа сравнивала экспрессию генов и находила в предыдущем поколении наиболее близкую клетку. Таким образом ученые также смогли проследить развитие на уровне отдельных клеток, начиная от единственной оплодотворенной. В вычислительном плане это оказалось достаточно сложной задачей, ведь эмбрион в возрасте девяти часов уже содержит клетки 25 основных типов.

Анализ показал несколько неожиданных фактов. Ранее считалось, что после начала превращения в ткань определенного типа — дифференцировки — клетка уже не может «свернуть» с этого пути. Однако некоторые клетки эмбрионов данио-рерио изменяли направление посреди процесса, что было заметно по активности генов. Сравнение развития рыбы и лягушки тоже привело к открытию: несмотря на то, что активность основных транскрипционных факторов одинакова в похожих типах ткани, но деятельность других генов в некоторых клетках отличается намного больше, чем ожидали ученые.