Генетики создали полный атлас эмбриона мыши

Иллюстрации показывают развитие эмбриона мыши с восьмого дня развития (вверху слева) до рождения (внизу справа). C. Qiu et al./Nature

Генетики Университета Сиэтла создали атлас развития эмбриона мыши от восьмого дня и до рождения. В атласе 12,4 миллиона клеток. Вся эта грандиозная работа была проделана всего за год. Атлас открыт для исследователей. Он показывает, как стволовые клетки превращаются в различные типы клеток, как развиваются органы и даже как меняется тело сразу после рождения.
Особенно важное открытие ученые сделали случайно: они обнаружили, что при естественном рождении и при кесаревом сечении — клетки немного отличаются. Вероятно, так происходит не только у мышей, но у человека.
Создание атласа всех типов клеток, составляющих организм, обычно требует международного сотрудничества и огромных бюджетов. Но метод, придуманный небольшой группой генетиков Университета Сиэтла, позволил создать покадровый атлас развития клеток эмбриона мыши от 8 дня до 19, то есть, до рождения. Атлас был создан всего за год тремя исследователями и обошелся примерно в $370 000. Он показывает, как стволовые клетки превращаются в различные типы клеток, как развиваются органы и даже как меняется тело сразу после рождения. Всего на атласе отражено 12,4 миллиона клеток.

Полный транскриптом
Лаборатория генетика Джея Шендура из Вашингтонского университета в Сиэтле известна созданием методов молекулярной биологии, в том числе метода под названием sci-RNA-seq3, который позволяет исследовать полный ансамбль матричных РНК одной клетки. Этот ансамбль содержит информацию всех транскриптов, описывающих белки, синтезируемые клеткой, — это суммарная информация называется транскриптом. Это прогрессивный современный метод нужен, чтобы понять какие гены работают в конкретной клетке, какие белки в ней формируются и работают.
В новом эксперименте вместо того, чтобы изучать отдельные клетки, которые было бы трудно сохранить, ученые измельчают весь образец — в данном случае целый эмбрион мыши — и изолируют все ядра его клеток. Затем ученые «раскладывают» эти ядра в разные чашки и определяют транскриптом каждого ядра. Затем они секвенируют мРНК этих клеток и строят «дерево», которое моделирует, как один тип клеток превращается в другой. Все это проделывается на множестве эмбрионов разного возраста. В результате получается покадровая съемка развивающегося эмбриона.

Пропущенные кадры

Схема развития эмбриона мыши

Два генетика из лаборатории Шендура — Чэнсян Цю и Бет Мартин, — составили диаграммы клеточных транскриптомов эмбрионов мышей за примерно 19-дневный период беременности животных. Сначала ученые собирали эмбрионы каждые 24 часа в течение 5 дней, но транскриптомы настолько сильно менялись за сутки, что было трудно проследить, как стволовые клетки с течением времени превращались в определенные типы клеток. Шендур сравнивает это с видео, в котором отсутствует слишком много кадров: это больше похоже на покадровую анимацию, чем на плавное изображение.

Поэтому Мартин и Цю объединились с ученым-исследователем Яном Уэлшем из Лаборатории Джексона, исследовательского института и центра по разведению мышей в Бар-Харборе, штат Мэн. Уэлш кропотливо собрал 83 эмбриона мыши с 2–6-часовыми интервалами в течение 10 дней беременности: начиная того момента, когда органы начинают развиваться и до первых часов сразу после рождения животного. Уэлш мгновенно замораживал эмбрионы и отправлял в Сиэтл, где Мартин строил их клеточные транскриптомы. Затем Цю сопоставлял данные и строил деревья, которые показывают, когда и как каждый из 190 типов клеток — например, клетки печени или костного мозга — возникает в эмбрионе.
Чтобы еще больше уточнить дерево, исследователи объединили данными других генетиков. Это добавило еще 110 000 клеток, и как раз эти данные сформировали «корни» дерева. Это позволило исследователям проследить за ветвлением ранних стволовых клеток на определенные типы, наблюдаемые у более зрелых эмбрионов.

Атласа клеток мыши во время пренатального развития 2D-визуализация набора данных атласа мыши с цветами, соответствующими 26 основным типам клеток.

Полученный атлас, содержащий транскриптомы мышей в 45 временных точках, теперь доступен эволюционным биологам для более глубокого изучения. На данный момент это самый крупный атлас мышиных эмбрионов, содержащий 12,4 миллиона клеток. Это почти четверть объема данных о клетках, уже собранных коллаборацией Human Cell Atlas, в которую входят 700 лабораторий. Human Cell Atlas пытаются составить карту всех клеток человеческого тела. (В человеческом теле триллионы клеток, так что до победы еще очень далеко).

Эффект стресса

Атлас показывает кластеры центральной нервной системы

Шендур и его группа в своей статье описали два важных явления. Они обнаружили, что самые резкие изменения в транскриптоме происходят в течении первого часа сразу после рождения. Шендур называет этот час «самым напряженным моментом в вашей жизни». Некоторые из этих различий вполне ожидаемы: например, клетки легких и жировые клетки резко меняют свою активность, чтобы справиться с пребыванием вне матки, но причины многих других изменений до сих пор неясны.

К другому открытию привела чистая удача. Чтобы рождение происходило всегда в одно и тоже время, Уэлш обычно делал мышам кесарево сечение. Но однажды он вернулся с обеда и неожиданно увидел уже родившихся мышат. Мартин все равно их обработал, хотя они родились несколько раньше срока. Неожиданно ученый обнаружил, что транскриптомы мышат рожденных естественным образом сильно отличаются от транскриптомов мышей, рожденных при помощи кесарева сечения. Это может объяснить различия в показателях здоровья, наблюдаемые у людей, рожденных естественным образом и при помощи кесарева сечения, говорят исследователи.

Карты мозга

Эмбриональная загадка
Йонатан Штельцер, эпигенетик из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль, говорит, что исследование предлагает неожиданный путь для будущих усилий по картированию клеток отдельных органов или тканей. По его словам, следующий шаг при работе с эмбрионами будет включать не только изучение того, как клетки развиваются с течением времени, но наблюдение за этим развитием в пространстве 3D и отслеживание того, как клетки делятся, перемещаются и в конце концов образуют целую мышь. Будущие исследования, добавляет ученый, могут дать ответ и на такие вопросы: как две клетки со схожими транскриптомами получают разную судьбу, например, становясь правым или левым глазом. «Мы еще далеки от решения всей эмбриональной загадки», — говорит Штельцер.