Κύτταρο με κύτταρο, οι επιστήμονες χαρτογραφούν τα γενετικά βήματα καθώς τα ωάρια γίνονται ζώα
Ένα γονιμοποιημένο ωάριο διαιρείται πρώτα σε δύο κύτταρα, μετά σε τέσσερα, μετά σε οκτώ και ούτω καθεξής. Εν τω μεταξύ, αυτά τα κύτταρα εξελίσσονται από αδιαφοροποίητες κηλίδες σε ένα σύμπλεγμα σε πιο ποικίλες ταυτότητες που σχετίζονται με την καρδιά, τον εγκέφαλο, τους μύες, το αίμα, τα οστά και άλλους ιστούς. Αν και η συνολική διαδικασία είναι γνωστή, οι επιστήμονες δεν την έχουν κατανοήσει με πολλές λεπτομέρειες.
Αλλά τρεις δημοσιεύσεις που εμφανίζονται σήμερα στο Science αλλάζουν αυτό, καθώς αποκαλύπτουν εργασίες με μεγάλη σημασία για τον τομέα της αναπτυξιακής βιολογίας. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό αλληλουχίας γονιδίων και μαθηματικών μεθόδων, οι ερευνητές εντόπισαν τα μοτίβα γονιδιακής έκφρασης σε κάθε κύτταρο σε έμβρυα ψαριών ζέβρας και δυτικών βατράχων με νύχια σε πολλά στάδια ανάπτυξης κατά τις πρώτες 24 ώρες τους.
Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν, σε μια προηγουμένως αδύνατη ανάλυση και κλίμακα, τις γενετικές και αναπτυξιακές τροχιές που ακολουθούν τα εμβρυϊκά κύτταρα μέχρι την τελική τους μοίρα σε πλήρως διαφοροποιημένους ιστούς. Προέκυψαν επίσης εκπληκτικές νέες ιδέες:Πολλοί βιολόγοι, για παράδειγμα, πίστευαν ότι τα εμβρυϊκά κύτταρα ακολουθούσαν πάντα διακλαδιζόμενα μονοπάτια προς την ωριμότητα που τα δέσμευαν αμετάκλητα σε ορισμένες μοίρες. Ωστόσο, τα νέα δεδομένα υποδεικνύουν ότι τα κύτταρα μπορούν, στην πραγματικότητα, μερικές φορές να «γυρίζουν πίσω» για να ακολουθήσουν διαφορετική διαδρομή και ότι τα κύτταρα με διαφορετικό ιστορικό ανάπτυξης μπορεί μερικές φορές να καταλήξουν ως ο ίδιος τύπος κυττάρου.
Οι ισχυρές τεχνικές που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις εκθέσεις, σύμφωνα με ειδικούς στον τομέα, σηματοδοτούν ένα νέο σύνορο στην ικανότητα μελέτης της ανάπτυξης, της μοίρας των κυττάρων και των ασθενειών. "Όποιος και αν είναι ο ιστός που σας ενδιαφέρει να μελετήσετε, υπάρχει κάτι σε αυτό το σύνολο δεδομένων που θα πρέπει να σας ενδιαφέρει", δήλωσε ο Berthold Göttgens, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ που δεν συμμετείχε στην έρευνα, αλλά έκανε παρόμοια εργασία. σε έμβρυα ποντικού. Ακριβώς όπως η άνοδος των μελετών αλληλουχίας του γονιδιώματος έθεσε τη βιολογία σε διαφορετική βάση, είπε, «αυτό το είδος θεμελιωδών δεδομένων θα αντέξει στη δοκιμασία του χρόνου. Θα είναι ένα ορόσημο στο οποίο θα επιστρέψουν οι άνθρωποι."
«Υπάρχει ένα ολόκληρο σύμπαν πιθανοτήτων που ανοίγουν δεδομένα όπως αυτό», είπε ο Alexander Schier, κυτταρικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και συγγραφέας μιας από τις μελέτες. «Πριν, όταν μπορούσαμε να δουλέψουμε μόνο με λίγα γονίδια, ή λίγα κύτταρα ή μερικά αναπτυξιακά στάδια, ήταν σαν να βλέπαμε δύο ή τρία αστέρια. Τώρα μπορούμε ξαφνικά να δούμε έναν ολόκληρο γαλαξία.”
Παραδοσιακά, οι αναπτυξιακοί βιολόγοι έχουν βάψει κύτταρα σε ένα διαιρούμενο έμβρυο και παρακολουθούν τη χωρική τροχιά τους ή έχουν στοχεύσει συγκεκριμένα γονίδια και έχουν εξετάσει τις επιπτώσεις τους στον οργανισμό. Πιο πρόσφατα, χρησιμοποίησαν επίσης τεχνικές επεξεργασίας για να ενσωματώσουν «γραμμωτούς κώδικες» στο κυτταρικό DNA. Καθώς τα κύτταρα διαιρούνται, οι γραμμικοί κώδικες αποκτούν μεταλλάξεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό των κοινών κυτταρικών γραμμών.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Science ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση. Στις δύο εργασίες τους, οι βιολόγοι συστημάτων του Χάρβαρντ Allon Klein, Marc Kirschner, Sean Megason και οι συνεργάτες τους μέτρησαν την έκφραση του αγγελιαφόρου RNA σε κάθε ένα από τα κύτταρα. ένα χαρτί συνδύαζε αυτά τα δεδομένα με την τεχνολογία bar-coding. Τα δεδομένα αγγελιαφόρου RNA καθόρισαν την ταυτότητα κάθε κυττάρου με βάση τα γονίδια που εξέφραζε, ενώ η γραμμική κωδικοποίηση παρείχε πληροφορίες σχετικά με το από πού προερχόταν αυτό το κύτταρο — το «οικογενειακό του ιστορικό», ούτως ή άλλως.
Η ανάλυση αυτών των δεδομένων επιβεβαίωσε πολλά ευρήματα που αναφέρθηκαν από άλλους επιστήμονες μετά από χρόνια επίπονης έρευνας. «Ήταν συναρπαστικό να βλέπουμε δεκαετίες έρευνας αναπτυξιακής βιολογίας να κωδικοποιούνται στα δεδομένα μας», είπε ο Klein.
Αλλά τα πειράματά τους ώθησαν επίσης σε νέα ευρήματα. «Με τις παλιές τεχνικές, θα μπορούσατε να φανταστείτε να παίρνετε [το ισοδύναμο] χάρτη σε επίπεδο πόλης. Αλλά ακόμα δεν ήξερες τι έκανε, ας πούμε, τη Philly Philly σε σύγκριση με το Πίτσμπουργκ», είπε ο Leonard Zon, βιολόγος βλαστοκυττάρων στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ που δεν συμμετείχε στις μελέτες. "Τώρα λαμβάνετε μια περιγραφή αυτού του χαρακτήρα:πώς συντάσσεται, από πού προέρχεται, τι κάνει."
Η διαδικασία ανάπτυξης συχνά απεικονίζεται ως κάτι σαν δέντρο, με το γονιμοποιημένο ωάριο στη βάση του και αργότερα τα κύτταρα να διακλαδίζονται και να ειδικεύονται μέχρι να εμφανιστούν όλοι οι τύποι κυττάρων. Και σίγουρα αυτό φαίνεται στην αρχή:η ομάδα του Schier, η οποία μελέτησε έμβρυα ψαριών ζέβρας τις πρώτες 12 ώρες, επιβεβαίωσε αυτήν την τοπολογία.
Αλλά σε μεταγενέστερα στάδια, «η σκέψη της ανάπτυξης ως δέντρου μπορεί να είναι μια κακή περιγραφή του τι συμβαίνει», είπε ο Klein. Σε πείσμα των παλιών υποθέσεων, οι κλάδοι ενώνονται μερικές φορές, συγκλίνοντας στην ίδια διαδρομή σε έναν βρόχο. Κύτταρα με πολύ διαφορετικό ιστορικό ανάπτυξης μπορεί να καταλήξουν να φτάσουν σε πολύ παρόμοιους προορισμούς.
Εν ολίγοις, τα κύτταρα μπορεί να είναι πιο πλαστικά από ό,τι νόμιζαν οι επιστήμονες και μπορεί πραγματικά να δεσμευτούν να γίνουν συγκεκριμένοι ιστοί σχετικά αργά. "Είναι ένας άλλος τρόπος να σκεφτείς πώς να φτιάξεις χαρτομάντιλα", είπε ο Zon.
Το εύρημα, πρόσθεσε ο Klein, εμπνέει ένα ευρύτερο ερώτημα σχετικά με το τι πραγματικά συμβαίνει κατά τη διαδικασία ανάπτυξης και τη σημασία όλων αυτών των ενδιάμεσων καταστάσεων για τα κύτταρα που δεν καταλήγουν στον ενήλικο οργανισμό. Εάν ο μοναδικός σκοπός της ανάπτυξης ήταν η δημιουργία συγκεκριμένων τύπων κυττάρων, τότε θεωρητικά, τα απαραίτητα γενετικά προγράμματα θα μπορούσαν να ενεργοποιηθούν αμέσως στα κύτταρα:ώριμοι μύες, οστά, νεύρα και άλλοι ιστοί θα μπορούσαν να υπάρχουν στα έμβρυα σχεδόν από την αρχή. . Αντίθετα, η ανάπτυξη είναι μια διαδικασία και τα σωστά κύτταρα πρέπει να εμφανιστούν στις κατάλληλες στιγμές και μέρη για να καθορίσουν πρότυπα ανάπτυξης και μετασχηματισμού στο έμβρυο. Τα κύτταρα σε μεταβατικές καταστάσεις μπορεί να έχουν μοναδικές λειτουργίες και αναπτυξιακή αξία από μόνα τους, και όχι απλώς ως βήματα προς κάποιο τέλος. Διαφορετικά μέρη του εμβρύου απαιτούν διαφορετικά ενδιάμεσα βήματα, ακόμα κι αν τελικά πρόκειται να δημιουργήσουν τον ίδιο τύπο κυττάρου.
Αυτό δεν είναι το μόνο είδος κυτταρικής πλαστικότητας που φαίνεται να διαταράσσει τη μεταφορά του δέντρου. Η ομάδα του Schier παρατήρησε ότι ορισμένα κύτταρα εξέφραζαν μόρια-δείκτες που τα στοχεύουν σε περισσότερες από μία αναπτυξιακές μοίρες:Παρόλο που φαινόταν να ακολουθούν ήδη ένα μονοπάτι, τα σωστά εξωτερικά σήματα μπορούσαν να τα ωθήσουν σε άλλο. Ο Schier εικάζει ότι αυτά τα κύτταρα μπορεί να είναι εκείνα που ζουν στα όρια μεταξύ των ιστών. Αντί να ακολουθούν ακριβείς οδηγίες για να γίνουν ο ένας ή ο άλλος τύπος ιστού, διατηρούν ασάφεια έτσι ώστε να μπορούν να γίνουν είτε, ανάλογα με τις τοπικές αλληλεπιδράσεις και ενδείξεις.
Η πλαστικότητα των αναπτυσσόμενων κυττάρων που αποκαλύφθηκε πρόσφατα μπορεί να είναι ιλιγγιώδης, αλλά οι ερευνητές του Χάρβαρντ ελπίζουν επίσης να βρουν γενικά μοτίβα στα δεδομένα τους που θα μειώσουν κάποια από αυτήν την πολυπλοκότητα. Ο Klein και οι συνεργάτες του έκαναν μια εκπληκτική ανακάλυψη:Από τα γονίδια για τις πρωτεΐνες που είναι κοινά τόσο στα ψάρια ζέβρα όσο και στα βατράχια που μελέτησαν, μόνο το 30 τοις εκατό εκφράστηκαν σε παρόμοια μοτίβα με στατιστική σημασία. Τα ζώα εξέφρασαν τα υπόλοιπα με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα γονίδια είχαν προσαρμοστεί στα προγράμματα έκφρασης τους κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Η διατήρηση των πρωτεϊνών σε επίπεδο αλληλουχίας φαίνεται να μην έχει καμία σχέση με τη διατήρηση της έκφρασής τους στην εξέλιξη.
«Ήρθε σαν ένα πραγματικό σοκ», είπε ο Klein. «Μας έκανε να νιώθουμε άβολα για λίγο.» Αλλά αντιπροσώπευε επίσης «έναν άλλο τρόπο με τον οποίο η εξέλιξη μπορεί να πειράξει».
Αυτός και οι συνάδελφοί του ελπίζουν ότι άλλοι θα επεκτείνουν αυτές τις συγκριτικές προσπάθειες στο υπόλοιπο δέντρο της ζωής. Ο Göttgens, για παράδειγμα, εφαρμόζει αυτήν την προσέγγιση για να μελετήσει τόσο τον σχηματισμό του συστήματος αίματος όσο και την πρώιμη διαφοροποίηση των κυττάρων που δημιουργεί την καρδιά σε έμβρυα ποντικών. Η δουλειά του επικεντρώθηκε στην απομόνωση γονιδίων που παίζουν βασικούς ρόλους σε αυτά τα μονοπάτια — κάτι που στοχεύουν και οι ομάδες του Klein και του Schier, εισάγοντας μεταλλάξεις και παρατηρώντας πώς αυτές επηρεάζουν τη λήψη αποφάσεων στα κύτταρα.
Με ακόμη περισσότερα σύνολα δεδομένων από μια ευρύτερη ποικιλία οργανισμών, οι ερευνητές θα μπορούσαν επίσης να θέσουν ευρύτερα ερωτήματα σχετικά με το πώς η ανάπτυξη έχει προσαρμοστεί σε όλη την εξελικτική ιστορία και πώς οι τύποι κυττάρων έχουν εξελιχθεί και προκύψει ως αποτέλεσμα. Πάρτε τις διαφορές που παρατήρησαν ο Klein και οι ομάδες του μεταξύ των επιπέδων γονιδιακής έκφρασης στο ψάρι ζέβρας και στον βάτραχο:Εάν οι επιστήμονες μπορούσαν να βρουν κάποια ομοιοκαταληξία ή λόγο να εξηγήσουν ποια ήταν διατηρημένα και ποια όχι, θα τους βοηθούσε να καθορίσουν ορισμένους βασικούς κανόνες σχετικά με την ανάπτυξη. (Προς το παρόν, εξηγεί ο Klein, φαίνεται ότι τα γονίδια με διατηρημένα πρότυπα έκφρασης τείνουν να είναι μεταγραφικοί ρυθμιστές, γεγονός που υποδηλώνει ότι «η εξέλιξη έχει θέσει τα ίχνη για το πώς να αναπτυχθεί, ενώ το τι σημαίνει να είσαι στην πραγματικότητα ένας συγκεκριμένος τύπος κυττάρου έχει συζητηθεί στην προσαρμογή.")
Οι επιστήμονες είναι ενθουσιασμένοι με το τι θα μπορούσε να αποκαλύψει αυτή η πρώιμη εργασία εμβρύων σχετικά με τα μεταγενέστερα στάδια ανάπτυξης, όταν τα κύτταρα εντός των ιστών και των οργάνων διαφοροποιούνται ακόμη περισσότερο. Η ομάδα του Schier επεκτείνει αυτήν τη στιγμή τη δουλειά της στον εγκέφαλο, για παράδειγμα, ο οποίος περιλαμβάνει πολλούς περισσότερους τύπους κυττάρων από τους 25 που χαρτογράφησαν στην τρέχουσα μελέτη. Αυτή η εργασία θα μπορούσε τελικά να προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσονται οι ασθένειες. "Εάν δεν γνωρίζουμε, ας πούμε, πώς σχηματίζονται όλα τα διαφορετικά κομμάτια της καρδιάς, τότε είναι δύσκολο να καταλάβουμε τι συμβαίνει στην πραγματικότητα σε μια συγγενή καρδιακή νόσο", είπε ο Göttgens.
Τα οφέλη αυτής της γνώσης μπορεί να επεκταθούν και σε πιθανές θεραπείες. Οι τεχνολογίες του Klein και του Schier παρέχουν μια συνταγή για τον τρόπο κατασκευής συγκεκριμένων τύπων κυττάρων, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην αναγεννητική ιατρική για να χειριστούν σκόπιμα την μοίρα των κυττάρων. Γνωρίζοντας πότε πρέπει να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε ορισμένα γονίδια - και να λάβετε υπόψη την πλαστικότητα των κυττάρων και τη σημασία των ενδιάμεσων σταδίων τους - θα μπορούσε να βοηθήσει πολύ τους βιομηχανικούς να δημιουργήσουν καλύτερους ιστούς. Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές να βελτιώσουν τις θεραπείες για τον καρκίνο. Εντοπίζοντας καλύτερα τους τύπους κυττάρων σε έναν όγκο και το ατομικό ιστορικό τους, οι ερευνητές θα μπορούσαν να στοχεύσουν καλύτερα τα κύτταρα που είναι πιο κακοήθη ή ανθεκτικά στα φάρμακα.
Εν τω μεταξύ, ωστόσο, οι ομάδες του Χάρβαρντ θέλουν να προσδιορίσουν τους μηχανισμούς που διέπουν τις κυτταρικές αποφάσεις που περιέγραψαν - για να κατανοήσουν πώς οι διαφορετικοί παράγοντες επηρεάζουν αυτές τις οδούς, γιατί εμφανίζονται σημεία διακλάδωσης όπου συμβαίνουν και ποια γονίδια είναι υπεύθυνα για αυτά τα γεγονότα. Μια τέτοια έρευνα, ελπίζει ο Klein, θα αποκαλύψει κάποιο είδος παγκόσμιας λογικής που βασίζεται στα ευρήματά τους. Στη συνέχεια, παρά την πολυπλοκότητα που έχουμε ήδη δει, «μπορεί να καταλάβουμε ότι η ανάπτυξη είναι πιο απλή από ό,τι νομίζουμε», είπε.
Διόρθωση:Στις 13 Ιουνίου, τα εύσημα για την τριάδα των time-lapse βίντεο ενημερώθηκαν για να αναγνωριστεί το έργο του Huw Williams και του James Smith.
