Учёные с помощью редактирования генов проследили развитие эмбриона мыши

Две независимые группы учёных опубликовали в журналах Science и Cell работы, в которых «клеточные регистраторы» (cell recorders) на основе редактирования генов зафиксировали развитие мыши с беспрецедентной детальностью. Одна команда записала развитие двухнедельного эмбриона клетка за клеткой, начиная с единственной оплодотворённой яйцеклетки; другая зафиксировала большинство клеточных делений в эмбрионах по мере формирования органов. Исследование в Science возглавил Джей Шендур, геномный учёный из Вашингтонского университета в Сиэтле, в Cell, Джонатан Вайсман, молекулярный биолог из Института Уайтхеда в Кембридже (штат Массачусетс).

Обе работы вдохновлены исследованием начала 1980-х: британский биолог Джон Салстон под микроскопом проследил каждую клетку нематоды Caenorhabditis elegans от яйцеклетки до взрослой особи ровно с 959 соматическими, то есть полностью дифференцированными, клетками. Это первая и до сих пор единственная полная карта развития животного. У C. elegans это стало возможным, потому что червь прозрачен, а каждая особь развивается строго одинаково, с одним и тем же неизменным порядком делений. По словам Шендура, проследить родословную клеток подобным образом у большинства других животных, особенно у млекопитающих, невозможно: у мышей развитие скрыто, клеток миллиарды, а судьбу клетки (например, станет ли она частью лёгких или печени) определяют внешние сигналы, в том числе факторы роста.

Ключевой вопрос биологии, по словам Шендура, как из такой случайности получаются особи одного вида с в целом одинаковой формой. «Близнецы выглядят одинаково, люди в целом выглядят похоже, и всё же даже близнецы развиваются через очень разные наборы клеточных делений», говорит он.

Шендур взялся за этот вопрос примерно в 2016 году: его команда разработала метод на основе CRISPR, который вводил в клетки развивающейся рыбки данио-рерио «штрихкоды» (barcodes), генные правки в определённых местах. Затем с помощью секвенирования ДНК проверяли, какие штрихкоды есть в разных клетках, и по ним выводили родство клеток. Но, как отмечает Вайсман, такие CRISPR-регистраторы родословной могут повреждать клетки, если в ходе развития вносится слишком много правок. Чтобы обойти это, обе команды использовали более точный и менее повреждающий метод, прайм-редактирование (prime editing), и вносили правки по мере деления клеток в эмбрионе.

Команда Шендура взяла оплодотворённую яйцеклетку мыши и применила технологию, которую назвала DNA Typewriter: по мере деления клеток она добавляет в определённые места генома последовательные неизгладимые генетические метки. Яйцеклетку затем имплантировали мыши. Через две недели, когда у эмбриона сформировались основные системы органов, исследователи считали метки DNA Typewriter и восстановили родственные связи 1,3 млн отредактированных клеток, около 10% всех клеток эмбриона.

Ключевые факты

Две независимые команды опубликовали работы в Science (руководитель Джей Шендур) и в Cell (руководитель Джонатан Вайсман): «клеточные регистраторы» на основе редактирования генов записали развитие мыши.
Обе команды использовали прайм-редактирование, которое точнее и менее повреждает клетки, чем прежние CRISPR-регистраторы родословной.
Команда Шендура с помощью технологии DNA Typewriter восстановила родство 1,3 млн клеток двухнедельного эмбриона мыши, около 10% от общего числа клеток.
Единственной полной картой развития животного до сих пор остаётся карта нематоды C. elegans (959 соматических клеток), построенная Джоном Салстоном в начале 1980-х.
У млекопитающих проследить родословную клеток так, как это сделано для C. elegans, невозможно: развитие скрыто, клеток миллиарды, а судьбу клетки определяют внешние сигналы.

Почему это важно

До сих пор единственной полной картой развития животного оставалась карта нематоды C. elegans, составленная Джоном Салстоном в начале 1980-х под микроскопом. Червь прозрачен и каждый раз развивается одинаково, поэтому ему это удалось. У млекопитающих развитие скрыто внутри организма, клеток миллиарды, а судьбу клетки определяют внешние сигналы. Две новые работы показывают, что с помощью редактирования генов можно записывать родословную клеток у мыши с беспрецедентной, по оценке Nature, детальностью и подступиться к вопросу, как из случайности развития получаются особи с в целом одинаковой формой.

Кому это важно

Прежде всего биологам развития и генетикам, которые изучают, как из одной клетки формируются органы, и разработчикам методов редактирования генов. Для широкой аудитории это новость о методе исследования: практические или медицинские применения в видимой части материала не обсуждаются.

Как это применить

Напрямую применять нечего: это лабораторные методы для исследователей. Для понимания принципа: в клетки при делении вносят последовательные необратимые генетические метки (в случае команды Шендура, технологией DNA Typewriter), а затем считывают их и по ним восстанавливают, какие клетки произошли от каких. Прайм-редактирование выбрано потому, что оно точнее и менее повреждает клетки, чем прежний CRISPR-подход.

Можно ли доверять

Материал, новостная заметка Nature о двух работах, опубликованных в Science и Cell; руководители команд названы поимённо, а ключевые утверждения приписаны им. Оригинал закрыт пейволлом и обрывается на описании работы команды Шендура, поэтому подробности исследования Вайсмана, а также названия статей, полный состав авторов и календарная дата публикации в доступной части не приведены. Оценка «беспрецедентная детальность», формулировка самого издания.

Риски и подводные камни

Реконструированные 1,3 млн клеток составляют лишь около 10% клеток эмбриона, так что это не полная карта развития мыши. Метод даёт картину для двухнедельного эмбриона. Прежние CRISPR-регистраторы могли повреждать клетки при слишком большом числе правок; прайм-редактирование описано как менее повреждающее, но не как полностью безвредное. Выводы о том, насколько наборы клеточных делений различаются между особями, в доступной части материала не приведены.

«Близнецы выглядят одинаково, люди в целом выглядят похоже, и всё же даже близнецы развиваются через очень разные наборы клеточных делений.»

— Джей Шендур, геномный учёный из Вашингтонского университета в Сиэтле