Во время беременности домашняя мышь начинается с одной оплодотворенной клетки, а через три недели готова выйти на свет в виде свободноживущего детеныша, состоящего из более чем 500 миллионов клеток.
Ученые стремятся понять, как геном домовой мыши Mus musculus управляет этой рутинной, но поразительной трансформацией. Хотя беременность у них намного короче, мышь имеет много общего с человеком в эволюции. Оно не только предлагает полезную научную модель пренатального развития млекопитающих, но также может раскрыть некоторые основы того, что происходит во время беременности у человека.
Однако было сложно определить активность генов, которая определяет время и внешний вид сотен типов клеток, из которых формируется полноценная новорожденная мышь, со всеми ее частями, расположенными в нужном месте. Частично из-за такого огромного количества клеток генетические движители раннего эмбрионального развития мышей ранее отбирались грубо через довольно длительные интервалы времени, например, в ходе ежедневных наблюдений.
Новые методы позволяют ученым лучше профилировать то, что происходит генетически в ядрах — центрах управления внутри отдельных клеток — через более короткие и точные промежутки времени и в общей сложности для более чем 12 миллионов клеток в 83 мышиных эмбрионах. Это позволило им получить на уровне отдельных клеток улучшенный, аннотированный временной интервал пренатального развития мышей.
Их анализ начался, когда каждый эмбрион впервые сформировал многослойную структуру — гаструлу, и продолжался до рождения.
Их выводы опубликованы в журнале Nature . Ведущими авторами статьи являются Чэньсян Цю и Бет К. Мартин из кафедры геномных наук Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле и Ян К. Уэлш из Лаборатории Джексона в Бар-Харборе, штат Мэн.
Ученые написали, что надеются, что их глубокая выборка поможет «прогрессу к более полному и непрерывному представлению о динамике транскрипции на протяжении всего пренатального развития».
Транскрипционная динамика относится к времени, когда клетки читают и действуют в соответствии с планами, содержащимися в различных частях их геномов. Эта чувствительная ко времени деятельность жизненно важна для производства белков, которые управляют, например, созданием и миграцией тех типов клеток, которые необходимы на каждой стадии эмбрионального развития.
Ученые применили метод, называемый оптимизированным комбинаторным индексирующим секвенированием РНК для отдельных клеток (sci-RNA-seq), для определения транскрипционных состояний клеток с двух-шестичасовыми интервалами от восьми дней внутриутробного развития до рождения. Благодаря этой информации исследователи смогли аннотировать сотни типов клеток и изучить формирование почек, сетчатки, ранних нейронов и других тканей.
Объединив эту последнюю информацию с другими опубликованными данными, доступными в рамках открытой науки , исследователи построили дерево, описывающее линии и взаимоотношения типов клеток на протяжении пренатального развития мыши, от оплодотворенной яйцеклетки до новорожденного детеныша. В рамках этого дерева они также предположили, какие гены могут работать в живом развивающемся эмбрионе, управляя появлением сотен типов клеток.
Сразу после рождения мышат ученые заметили, что массивные и резкие транскрипционные изменения произошли в ядрах нескольких типов клеток, например, в клетках дыхательных путей, печени и жировой ткани. Ученые предположили, что эти изменения могут быть физиологически необходимыми из-за глубокого разрыва, который происходит между жизнью, связанной с плацентой, и жизнью вне матки.
Новорожденному щенку внезапно необходимо дышать воздухом, поддерживать нормальный уровень сахара после того, как его мать лишилась питательных веществ, и поддерживать в своем теле правильную температуру. Однако было обнаружено еще много генов, адаптивная функция которых вскоре после рождения еще не известна. То, что это означает, открыто для исследования.
Переход из утробы во внешний мир, отметили ученые, уже признан «чреват физиологическим риском».
Исследователи добавили, что кинетические закономерности быстрых транскрипционных изменений во время рождения оказались гораздо более сложными, чем первоначально предполагалось, и что некоторые из них могут относиться к детенышам, рожденным естественным путем, по сравнению с щенками, рожденными с помощью кесарева сечения.
Обсуждая свое исследование, исследователи объяснили, что их целью «было не изучение конкретного раздела биологии, а, скорее, создание основы для всестороннего понимания развития млекопитающих». Они добавили, что набор данных, рассмотренный в этом исследовании, «является богатым источником гипотез», например, предполагающих факторы транскрипции, которые могут способствовать появлению всех типов пренатальных клеток .
Исследователи также надеются, что подобные исследования создадут глобальную основу для изучения геномной основы развития млекопитающих — возможно, даже включив в нее постнатальные вехи. Конечной целью исследований такого рода может быть изучение генетических механизмов, действующих на протяжении всей жизни млекопитающих, от зачатия до смерти, в отдельных клетках.
