Как из одной оплодотворенной яйцеклетки образуются все клетки в организме животного? Этот вопрос десятилетиями не давал покоя ученым, и ответ на него крайне важен для понимания того, как такие заболевания, как рак, возникают и распространяются в организме. Новое исследование, опубликованное в журнале Science и проведенное учеными из Сиэтлского центра синтетической биологии, приближает нас к ответу на этот вопрос.

Исследователи успешно построили откалиброванное по времени древо происхождения, показывающее, как одна клетка превратилась в 1,28 миллиона клеток — около 10% клеток двухнедельного эмбриона мыши. На сегодняшний день это самое большое генеалогическое древо, когда-либо построенное для млекопитающих.

Ученые использовали технологию DNA Typewriter, чтобы реконструировать большую часть клеточной линии развивающейся мыши и составить карту того, как более 1,28 миллиона отдельных клеток появились в результате первого клеточного деления и сформировали ткани и органы.

DNA Typewriter работает по принципу последовательного добавления генетических меток в ДНК клетки в процессе ее деления, передает «Научная Россия». Метки копируются в каждую дочернюю клетку — клетку, которая образуется при делении родительской клетки, — и записываются по порядку, так что они действуют как своего рода дневник в геноме, показывая, как делилась клетка и что с ней происходило. Исследователи ввели систему DNA Typewriter в оплодотворенную яйцеклетку мыши и дали эмбриону развиться в течение 13,5 дней, то есть примерно две трети срока беременности мыши. Они измерили генетические маркеры в 1,58 миллиона отдельных клеточных ядер и реконструировали «генеалогическое древо» клеток, из которых состоит эмбрион.

«Мы были удивлены тем, насколько четко происходила маркировка уже при первом делении», — сказал Хэдон Ким, один из авторов исследования. «Это дало нам две естественные, независимые копии одного и того же эксперимента в рамках одного эмбриона, так что мы могли дважды проверить каждый результат».

Исследователи выявили множество уникальных меток — генетических «отпечатков», которые помогают отличать одну клетку от другой, — оставленных «ДНК-машинкой» при первом делении клетки, когда оплодотворенная яйцеклетка разделилась на две клетки. По мере того как они, в свою очередь, продолжали делиться, образуя все больше клеток на двух параллельных, но разных путях развития, исследователи обнаружили, что они внесли разный вклад в общее количество клеток эмбриона — примерно 57% и 42%, — но обеспечили одинаковую долю каждого типа клеток.

«Наш успех в переносе ДНК-печатной машинки в развивающийся эмбрион, а также в получении клеточной линии приближает нас к мечте — составить полную карту развития млекопитающих, — сказал Джей Шендур, научный директор Сиэтлского центра синтетической биологии. — Все типы клеток формируются в процессе развития, и такие карты помогут разобраться в тысячах генетических нарушений, возникающих в ходе развития».

Это исследование — важный шаг, поскольку изучение того, как клетки делятся и организуются в процессе развития, поможет исследователям лучше понять причины врожденных дефектов, рака и нарушений развития. Понимая, как происходит нормальное клеточное развитие и как одна клетка превращается во множество, исследователи получают эталонную модель для сравнения, которая позволяет лучше определить, когда и где нормальное развитие отклоняется и приводит к заболеваниям. Эти знания могут помочь разработать способы предотвращения аномального клеточного развития или вмешательства в процесс, когда клетки начинают вести себя неправильно.

Технология DNA Typewriter также может быть использована для определения путей распространения раковых клеток, лучшего понимания того, как работает терапия стволовыми клетками и как старение влияет на клетки различных органов. Получение биологических ответов на основе данных о происхождении клеток может ускорить исследования, которые в противном случае заняли бы гораздо больше времени.