Jak przypominają naukowcy z amerykańskiego Howard Hughes Medical Institute (HHMI), każda z prawie 40 miliardów komórek ludzkiego ciała pochodzi z jednej zapłodnionej komórki jajowej. Dla prostych gatunków, takich jak nicienie, udało się już prześledzić drogę od jednej komórki do całego organizmu. W przypadku ssaków jej zrozumienie pozostawało dotąd poza zasięgiem naukowców.

Eksperci tłumaczą, że embriony badanych pod tym kątem, prostych nicieni są przezroczyste, dzięki czemu można za pomocą mikroskopu obserwować podziały wszystkich komórek. Natomiast embrion myszy rozwija się w ciele matki, ukryty przed badaczami.

Naukowcy z HHMI opracowali sposób na to, aby komórki w pewnym sensie pamiętały swoje podziały. 

Dzięki nowemu podejściu swoją historię zapisują one wewnątrz DNA – z każdym podziałem dodają mały fragment do genomu. Fragmenty te są dziedziczone, więc każda komórka niesie informacje o swoich przodkach.

„Kiedy dana komórka się dzieli, każda z dwóch komórek potomnych otrzymuje znacznik. Znaczniki te są następnie dziedziczone przez ich komórki potomne, które z kolei otrzymują kolejne znaczniki, i tak dalej. Dzięki temu, analizując na końcu te znaczniki w DNA, możemy odtworzyć, jakie były relacje między poszczególnymi komórkami” – wyjaśnia jeden z badaczy, Jonathan Weissman z HHMI, współautor pracy opublikowanej w magazynie „Cell”.

Ponieważ znaczniki odczytuje się poprzez sekwencjonowanie pojedynczych komórek, ten sam eksperyment pozwala ustalić to, jaki dana komórka ma typ i jakie geny są w niej aktywne, oraz to, jak powstała i z jakiej komórki pochodzi.

Komórki macierzyste z tym systemem badacze wstrzyknęli do embrionu myszy. Genetyczne znaczniki znalazły się niemal we wszystkich komórkach tworzących się później w embrionie. Ich analiza pozwoliła na stworzenie swoistego drzewa genealogicznego komórek rozwijającego się gryzonia.

Nieco podobną metodę, nazwaną DNA Typewriter, już wcześniej opracowali eksperci z University of Washington. To podejście również śledzi rodowód komórek, wykorzystując zapis każdego podziału komórki w określonej sekwencji DNA.

Obecnie ten zespół, kierowany przez prof. Jaya Shendure’a, wprowadził ten system do zapłodnionej mysiej komórki jajowej (​​​​​​https://www.science.org/doi/10.1126/science.ael0508).

„Większość pomiarów biologicznych opiera się albo na obrazowaniu żywych organizmów, którego możliwości ogranicza fakt, że większość tkanek zwierzęcych nie jest przezroczysta, albo na metodach genomicznych, które wymagają zniszczenia badanej próbki i pozwalają uzyskać informacje tylko z jednego momentu. Techniki rejestrujące, takie jak zastosowane w tych badaniach, umożliwiają prowadzenie pomiarów w czasie, również w warunkach, których nie jesteśmy w stanie bezpośrednio obserwować” – podkreśla dr Shendure.

Nowe metody i opracowane już mapy pozwolą nie tylko lepiej zrozumieć rozwój ssaków. Pomogą także w poznaniu rozwoju wrodzonych chorób, a także powstawania i rozprzestrzeniania się nowotworów.

„Podczas rozwoju organizmu czy ewolucji nowotworu zachodzi wiele kluczowych procesów, których nie jesteśmy w stanie bezpośrednio obserwować w momencie, gdy się dokonują. Jeśli jednak uda się zapisać te informacje w DNA, możemy później wywnioskować i odtworzyć dokładnie, jak te procesy przebiegały” – mówi Weissman.

Ponadto zdobyte dane posłużą do trenowania sztucznej inteligencji, modelującej rozwój embrionów – docelowo dzięki temu ma powstać „wirtualny embrion”, symulujący w komputerze rozwój organizmu.

Naukowcy mówią także o pytaniach, których jeszcze nie znają, a które mogą pojawić się w trakcie dalszych badań. Podobnie poznanie mapy rozwoju nicieni doprowadziło do nowych odkryć, których wcześniej nikt nie był w stanie przewidzieć. „Do odkryć tych doprowadziło po prostu zrozumienie samego procesu i poznanie leżących u jego podstaw mechanizmów molekularnych” – podsumowuje prof. Weissman.

Marek Matacz (PAP)

mat/ zan/