Аналіз генетичної активності в сотнях тисячах зародкових клітин дозволяє зрозуміти, як клітини визначаються зі своєю подальшою долею.
Велика і дуже багатоклітинна людина виходить з однієї-єдиної клітини - заплідненої яйцеклітини. Вона ділиться, перетворюється на невелику кулю, куля змінює форму, з'являються зачатки тканин і органів. Всі перетворення зародку супроводжують зміни в активності генів, які працюють строго на свій час. У загальних рисах хід ембріонального розвитку був відомий давно, але ці спільні риси так і залишалися занадто спільними.
Щоб дізнатися деталі, потрібно розібрати ембріон по клітинах так, щоб їх не пошкодити; кожну клітку потрібно забезпечити міткою, щоб знати, яке місце вона займала в цілому зародку; нарешті, потрібно вміти прочитати РНК, синтезовану в одній клітці - саме по РНК, які являють собою копії з тих чи інших ділянок ДНК, можна судити з активності тих чи інших генів. Тільки зараз в руках біологів з'явилися інструменти, що дозволяють простежити за долями окремих зародкових клітин і за активністю окремих генів.
Минулого року в Science вийшло відразу три статті, в яких на прикладі ембріонів риби Danio rerio (смугастий даніо) і шпорцевої жаби було детально розписано, які гени, де саме і коли саме працюють під час ембріонального розвитку. Але риба - це риба, а жаба - це жаба, і хоча багато законів ембріогенезу поширюються на всіх хребетних, все ж хотілося б дізнатися такі ж подробиці про ссавців.
І ось зараз дослідники з Кембриджу опублікували в Nature докладну карту генетичної активності для мишиного ембріона на етапі гаструляції, між 6,5 і 8,5 днями після запліднення. Цю стадію розвитку обрали не випадково: саме під час гаструляції в результаті складних клітинних переміщень і клітинної диференціювання з'являються так звані три зародкових листки - особливі скупчення клітин, з яких потім з'являться всі органи і тканини.
Автори роботи проаналізували функціонування генів у 116 312 клітинах. З отриманих даних зробили інтерактивну карту, на якій зародок представив скупченням різнокольорових точок, де кожна точка відповідала одній клітині, а клітини з однаковою генетичною активністю були одного кольору.
За допомогою такої карти можна уявити, як мутації в тих чи інших генах позначаються на ембріогенезі і подальшій долі організму. Так, самим дослідникам карта допомогла зрозуміти, як спрацьовують мутації в гені Tal1, від якого залежить розвиток клітин крові. Якщо Tal1 починає працювати не там і не тоді, коли треба, може початися лейкемія. Експерименти ставили з зародками-химерами, в яких нормальні, здорові клітини були змішані з клітинами, у яких в Tal1 були мутації; результати, отримані в експерименті, зіставляли з картою генетичної активності.
У результаті вдалося зрозуміти, що мутантні клітини не просто переходять з правильного шляху розвитку на неправильний, яким починають рішуче йти. Навпаки, в них включаються одночасно кілька генетичних програм, як якщо б мутація збивала їх з пантелику і вони починали вагатися, що їм робити далі.
В іншій статті, також опублікованій в Nature, мова теж йде про мишиний ембріон, але на більш пізній стадії розвитку, між 9,5 і 13,5 днями після запліднення. Дослідники з Алленівського інституту при Вашингтонському університеті захотіли з'ясувати, які генетичні програми керують розвитком окремих тканин і органів. Для цього вони стежили за активністю генів приблизно в 2 млн клітин з 61 ембріона, з яких повинні були вийти м'язи, мозок, шкіра, шлунок тощо.
Хоча для непрофесіонала в отриманих результатах мало наочності, обидві роботи допомагають вивести на новий рівень наші знання про закони, що керують розвитком зародку. А знання ці важливі як з фундаментальної, так і з практичної точки зору, якщо ми хочемо захистити себе від різних розладів, які беруть початок в перших днях життя ембріона.