Cercetătorii au refăcut istoria a 1.281.141 de celule dintr-un embrion de șoarece folosind ADN-ul

Două echipe de cercetători au reconstruit genealogia celulelor din embrioni de șoarece folosind marcaje înscrise în ADN. Aceste urme, transmise de la o celulă la descendenții ei, au permis urmărirea dezvoltării pornind de la ovulul fecundat și compararea modului în care se formează diferite țesuturi.

Studiile au fost publicate în Science, relatează Playtech. Echipa condusă de Jay Shendure a folosit sistemul DNA Typewriter într-un singur embrion, iar echipa condusă de Jonathan Weissman, de la Whitehead Institute, a aplicat metoda PEtracer mai multor embrioni.

Celulele transmit descendenților marcajele înscrise în ADN

DNA Typewriter folosește benzi sintetice de ADN, cu poziții în care un editor genetic introduce succesiv marcaje. După înscrierea unui semn, sistemul trece la poziția următoare.

La diviziune, celulele rezultate moștenesc marcajele celulei din care provin. Ulterior, adaugă altele. Citind combinațiile acumulate, cercetătorii pot deduce relațiile de înrudire și pot reconstrui succesiunea diviziunilor.

Sistemul se bazează pe prime editing, o tehnică de editare genetică mai precisă și mai puțin distructivă decât metodele inițiale de înregistrare. Acestea puteau șterge accidental informații deja înscrise. Noua abordare păstrează o istorie mai lungă a diviziunilor celulare.

În acest experiment, editarea genetică servește în principal la înregistrarea dezvoltării, nu la obținerea unei anumite caracteristici a animalului.

Primul experiment a urmărit dezvoltarea până la 138 de tipuri celulare

Echipa lui Jay Shendure a introdus DNA Typewriter într-un ovul fecundat de șoarece. Experimentul a avut următoarele repere:

• Embrionul s-a dezvoltat 13,5 zile, adică aproximativ două treimi din perioada de gestație.
• Analiza a cuprins 1.281.141 de celule, circa 10% din numărul total estimat pentru embrion în acel stadiu.
• Genealogia refăcută începe la zigot, ovulul fecundat, și ajunge la 138 de tipuri celulare.

Cercetătorii au separat inclusiv descendenții celor două celule rezultate din prima diviziune. Ramurile au contribuit cu aproximativ 57%, respectiv 42% dintre celulele embrionului, dar au produs proporții similare din diferitele tipuri de celule.

Numărul variantelor posibile complică reconstrucția. Unul dintre autorii studiului explică faptul că, și pentru numai 22 de celule, există mai multe configurații posibile ale arborelui genealogic decât stele în Univers.

Originea unei celule nu îi stabilește singură funcția

Studiul PEtracer a urmărit peste 1,4 milioane de celule din 16 embrioni. Echipa lui Jonathan Weissman a reconstruit aproximativ 75% dintre diviziunile celulare analizate.

Arborii celulari obținuți prin compararea embrionilor semănau foarte mult. În general, ramurile importante ale dezvoltării apăreau la momente care variau cu mai puțin de șase ore de la un embrion la altul. Etapele urmărite aveau, așadar, o desfășurare reproductibilă.

Unele dintre celulele care căptușesc vasele de sânge aveau origini în ramuri genealogice diferite. Mediul în care ajungeau le făcea însă să îndeplinească funcții asemănătoare.

În creierul aflat în dezvoltare, cercetătorii au observat și situația inversă: celule cu aceeași origine dobândeau identități diferite dacă ajungeau în regiuni distincte.

Aceste observații permit studierea plasticității dezvoltării, adică a măsurii în care identitatea unei celule depinde de strămoșii săi sau de locul și semnalele din mediul în care ajunge.

Înregistrarea genetică depășește limitele observării la microscop

Genealogia celulară fusese urmărită practic în întregime doar la viermele microscopic Caenorhabditis elegans. În anii 1980, cercetătorii i-au observat diviziunile la microscop. Animalul adult are aproximativ o mie de celule.

La un mamifer, embrionul opac și numărul de milioane sau miliarde de celule fac practic imposibilă repetarea procesului prin simpla observare. Marcajele genetice permit citirea retrospectivă a istoriei celulelor, fără urmărirea permanentă a embrionului la microscop.

Hărțile obținute includ și reconstrucții statistice

DNA Typewriter utilizează în prezent 11 benzi, fiecare cu șase poziții de înregistrare. Arborele rezultat conține goluri și porțiuni reconstruite statistic. PEtracer are, la rândul său, limite de înregistrare și nu surprinde toate etapele dezvoltării.

Pe termen lung, cercetătorii vor să alcătuiască o hartă aproape completă a dezvoltării unui mamifer, urmărind traseul de la prima celulă până la formarea organelor și țesuturilor.

O astfel de hartă ar permite compararea dezvoltării normale cu situațiile în care mutațiile genetice sau alți factori produc malformații și boli. Cercetătorii consideră că metodele ar putea ajuta la identificarea momentelor în care dezvoltarea se abate de la parcursul normal și la studierea cancerului și a miilor de afecțiuni genetice cu origine în etapa embrionară.