Анализ генетической активности в сотнях тысячах зародышевых клеток позволяет понять, как клетки определяются со своей дальнейшей судьбой.
Большой и очень многоклеточный человек получается из одной-единственной клетки – оплодотворённой яйцеклетки. Она делится, превращается в небольшой шар, шар меняет форму, появляются зачатки тканей и органов. Всем превращениям зародыша сопутствуют изменения в активности генов, которые работают строго в своё время. В общих чертах ход эмбрионального развития был известен давно, но эти общие черты так и оставались слишком общими.
Зародыш мыши в возрасте десяти с половиной дней эмбрионального развития. (Фото: ZEISS Microscopy / Flickr.com)
Карта активности генов в разных клетках зародыша мыши между 6,5 и 8,5 днями развития. (Иллюстрация: Wellcome-MRC Cambridge Stem Cell Institute)
Открыть в полном размере
Чтобы узнать детали, нужно разобрать эмбрион по клеткам так, чтобы их не повредить; каждую клетку нужно снабдить меткой, чтобы знать, какое место она занимала в целом зародыше; наконец, нужно уметь прочитать РНК, синтезированную в одной клетке – именно по РНК, которые представляют собой копии с тех или иных участков ДНК, можно судить по активности тех или иных генов. Только сейчас в руках биологов появились инструменты, позволяющие проследить за судьбами отдельных зародышевых клеток и за активностью отдельных генов.
В прошлом году в Science
вышло сразу три статьи, в которых на примере эмбрионов рыбы Danio rerio (полосатый данио) и шпорцевой лягушки было подробно расписано, какие гены, где именно и когда именно работают во время эмбрионального развития. Но рыба – это рыба, а лягушка – это лягушка, и хотя многие законы эмбриогенеза распространяются на всех позвоночных, всё же хотелось бы узнать такие же подробности про млекопитающих.
И вот сейчас исследователи из Кембриджа опубликовали в Nature подробную карту генетической активности для мышиного эмбриона на этапе гаструляции, между 6,5 и 8,5 днями после оплодотворения. Эту стадию развития выбрали не случайно: именно во время гаструляции в результате сложных клеточных перемещений и клеточной дифференцировки появляются так называемые три зародышевых листка – особые скопления клеток, из которых потом появятся все органы и ткани.
Авторы работы проанализировали функционирование генов в 116 312 клетках. Из полученных данных сделали интерактивную карту, на которой зародыш представал скоплением разноцветных точек, где каждая точка соответствовала одной клетке, а клетки с одинаковой генетической активностью были одного цвета.
С помощью такой карты можно представить, как мутации в тех или иных генах сказываются на эмбриогенезе и дальнейшей судьбе организма. Так, самим исследователям карта помогла понять, как срабатывают мутации в гене Tal1, от которого зависит развитие клеток крови. Если Tal1 начинает работать не там и не тогда, когда надо, может начаться лейкемия. Эксперименты ставили с зародышами-химерами, в которых нормальные, здоровые клетки были смешаны с клетками, у которых в Tal1 были мутации; результаты, полученные в эксперименте, сопоставляли с картой генетической активности.
В результате удалось понять, что мутантные клетки не просто переходят с правильного пути развития на неправильный, по которому начинают решительно идти. Наоборот, в них включаются одновременно несколько генетических программ, как если бы мутация сбивала их с толку и они начинали колебаться, что им делать дальше.
В другой статье, также опубликованной в Nature, речь тоже идёт о мышином эмбрионе, но на более поздней стадии развития, между 9,5 и 13,5 днями после оплодотворения. Исследователи из Алленовского института при Вашингтонском университете захотели выяснить, какие генетические программы управляют развитием отдельных тканей и органов. Для этого они следили за активностью генов примерно в 2 млн клеток из 61 эмбриона, из которых должны были получиться мышцы, мозг, кожа, желудок и пр.
Хотя для непрофессионала в полученных результатах мало наглядности, обе работы помогают вывести на новый уровень наши знания о законах, управляющих развитием зародыша. А знания эти важны как с фундаментальной, так и с практической точки зрения, если мы хотим защитить себя от различных расстройств, которые берут начало в первых днях жизни эмбриона.