Δύο ερευνητικές ομάδες χρησιμοποίησαν συστήματα καταγραφής στο DNA για να ανασυνθέσουν την καταγωγή των κυττάρων κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη ποντικών, έως προχωρημένα στάδια της οργανογένεσης. Οι μελέτες, που δημοσιεύθηκαν στα Science και Cell, προσφέρουν λεπτομερείς χάρτες των διαδοχικών κυτταρικών διαιρέσεων και των διαδρομών που οδηγούν σε διαφορετικούς κυτταρικούς τύπους. Πρόκειται για μια διαδικασία δύσκολη στην παρακολούθηση, επειδή τα έμβρυα αναπτύσσονται μέσα στη μήτρα και δεν μπορούν να παρατηρούνται συνεχώς. Οι νέες μέθοδοι αξιοποιούν το ίδιο το γενετικό υλικό ως αρχείο αυτής της ιστορίας.
Στη μελέτη του Science, επικεφαλής ήταν ο Τζέι Σεντούρε (Jay Shendure), καθηγητής γονιδιωματικών επιστημών στην University of Washington School of Medicine και ερευνητής του Howard Hughes Medical Institute, και ο Τσενγκσιάνγκ Τσιου (Chengxiang Qiu), μοριακός και συστημικός βιολόγος στο Dartmouth College. Η ομάδα χρησιμοποίησε το DNA Typewriter, μια τεχνολογία ιχνηλάτησης της κυτταρικής καταγωγής που ανέπτυξαν ο Σεντούρε και ο Τζουνχόνγκ Τσόι (Junhong Choi). Οι ερευνητές επανασχέδιασαν την «ταινία» καταγραφής του συστήματος, ώστε το ιστορικό να ανακτάται ευκολότερα από μεμονωμένα κύτταρα, και την ενσωμάτωσαν στο γονιδίωμα ενός γονιμοποιημένου ωαρίου ποντικού.
Κατά την πρώτη διαίρεση του γονιμοποιημένου ωαρίου, μια σειρά γενετικών τροποποιήσεων άφησε διακριτά σημάδια στα δύο θυγατρικά κύτταρα. Στις επόμενες διαιρέσεις, τα νέα κύτταρα κληρονομούσαν τα ήδη καταγεγραμμένα σημάδια και αποκτούσαν επιπλέον δικά τους. Έτσι, τα κοινά μοτίβα αποκάλυπταν ποια κύτταρα είχαν κοινό πρόγονο, ενώ η σειρά των καταγραφών έδειχνε τη διαδοχή των αναπτυξιακών διακλαδώσεων. Σύμφωνα με τον Σεντούρε, τέτοια συστήματα επιτρέπουν μετρήσεις στον χρόνο εκεί όπου η άμεση απεικόνιση δυσκολεύεται από την αδιαφάνεια των ιστών και οι γονιδιωματικές αναλύσεις αποτυπώνουν μόνο μία χρονική στιγμή.
Το πείραμα επιχειρήθηκε σε 100 γονιμοποιημένα ωάρια και απέδωσε 10 έμβρυα προς εξέταση. Ένα από αυτά είχε την πληρέστερη καταγραφή, επιτρέποντας στην ομάδα να συνδέσει σχεδόν κάθε κύτταρο που ανέλυσε με ένα από τα πρώτα δύο κύτταρα του εμβρύου. Παρότι το ένα από αυτά τα δύο αρχικά κύτταρα έδωσε περισσότερους απογόνους, οι δύο κλάδοι παρήγαγαν ποικίλους κυτταρικούς τύπους σε σχεδόν ίσες αναλογίες. Η αναλυτικότερη ανασύνθεση της μελέτης βασίστηκε επομένως στο έμβρυο με το πιο πληροφοριακό αρχείο.
Η χρονική σειρά των καταγραφών επέτρεψε επίσης να εκτιμηθεί πότε διαφορετικοί κυτταρικοί τύποι άρχισαν να ακολουθούν ξεχωριστές αναπτυξιακές διαδρομές. Τα κύτταρα του αίματος και του αμφιβληστροειδούς δεσμεύονταν προς τη συγκεκριμένη ταυτότητά τους σχετικά νωρίς, ενώ εκείνα που σχηματίζουν την εξωτερική στιβάδα του δέρματος αργότερα. Κατά τους ερευνητές, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κυτταρική ταυτότητα δεν καθορίζεται σε ένα ενιαίο, συγχρονισμένο βήμα. Αντίθετα, οι δυνατότητες εξέλιξης κάθε κυτταρικής σειράς περιορίζονται με διαφορετικό χρονοδιάγραμμα.
Παλαιότερες τεχνικές ιχνηλάτησης συχνά χρησιμοποιούσαν ένζυμα που έκοβαν το DNA, με κίνδυνο να βλάψουν τα κύτταρα, να σβήσουν προηγούμενες καταγραφές ή να εξαντλήσουν τη διαθέσιμη χωρητικότητα. Άλλες άφηναν σημάδια χωρίς σαφή σειρά, οπότε η χρονική ακολουθία έπρεπε να συναχθεί εκ των υστέρων. Ο Χάεντονγκ Κιμ (Haedong Kim), μεταδιδακτορικός ερευνητής στην UW Medicine και ένας από τους κύριους συγγραφείς, υποστηρίζει ότι το DNA Typewriter αποφεύγει αυτά τα προβλήματα. Όπως εξηγεί, γράφει χωρίς να αποκόπτει πλήρως το DNA, διατηρεί σχετικά σταθερή καταγραφή και αποθηκεύει τις τροποποιήσεις με αυστηρή σειρά, επιτρέποντας μεγαλύτερη ανάλυση για περισσότερο χρόνο.
Στη μελέτη του Cell, ο Τζόναθαν Βάισμαν (Jonathan Weissman) και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν το PEtracer, ένα σύστημα γενετικής επεξεργασίας ακριβείας, για να χαρτογραφήσουν την κυτταρική καταγωγή σε περισσότερα από 1,4 εκατομμύρια κύτταρα από 16 έμβρυα ποντικού. Μαζί, οι δύο εργασίες δείχνουν ότι η ανασύνθεση κυτταρικών γενεαλογικών δέντρων στα θηλαστικά είναι εφικτή σε πρωτοφανή κλίμακα. Ο Βάισμαν χαρακτηρίζει το επίτευγμα απόδειξη της αρχής ότι μια χαρτογράφηση αντίστοιχη με εκείνη που έγινε σε νηματώδη σκώληκα το 1983 μπορεί πλέον να επιχειρηθεί και στα θηλαστικά.
Οι ερευνητές θεωρούν ότι αυτά τα αρχεία προσφέρουν ένα πλαίσιο για τη μελέτη του φυσιολογικού σχηματισμού των οργάνων και των σημείων όπου η ανάπτυξη αποκλίνει. Πληρέστερες καταγραφές θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην έρευνα για συγγενείς δυσπλασίες, νευροαναπτυξιακές και γενετικές διαταραχές, καθώς και για τον καρκίνο, ή να καθοδηγήσουν την εργαστηριακή διαμόρφωση βλαστοκυττάρων. Η εφαρμογή των μεθόδων σε περισσότερα έμβρυα και διαφορετικές πειραματικές συνθήκες θα μπορούσε, σύμφωνα με την ομάδα, να στηρίξει πιο ποσοτικά και τελικά προβλεπτικά μοντέλα της ανάπτυξης των θηλαστικών. Αυτές παραμένουν δυνατότητες για μελλοντική έρευνα, ενώ το παρόν αποτέλεσμα αφορά τη χαρτογράφηση της κυτταρικής ιστορίας σε έμβρυα ποντικού.
Σχόλια