Эмбриональное развитие разобрали по генам

Эмбриональное развитие разобрали по генам

Каждый человек, каждый зверь, птица, рыба, насекомое и т. д. происходят из одной-единственной клетки – оплодотворенной яйцеклетки, которая дает начало группе эмбриональных стволовых клеток.
И хотя мы уже довольно много знаем об эмбриональном развитии, о том, как из микроскопической горстки стволовых клеток получаются сердце, легкие, мозг и т. д., все равно весь процесс многим кажется почти мистическим.

Конечно, биологи всегда говорили, что в клетках эмбриона постоянно происходит переключение генов, управляющих развитием, что в один момент времени работают одни гены, а в другой момент – другие, и что активность генов отличается у разных клеток. Но проблема была в том, что довольно долго никто не представлял эмбриональную молекулярно-генетическую чехарду во всех подробностях, то есть какие именно гены когда именно и где именно работают. Оставалось только надеяться, что развитие научных методов позволит это когда-нибудь выяснить.

И вот надежды сбылись. В журнале Science вышло сразу три статьи, в которых на примере эмбрионов рыбы Danio rerio (полосатый данио) и шпорцевой лягушки подробно расписано, какие гены, где именно и когда именно работают (и лягушка, и полосатый данио – обычные модельные объекты в молекулярно-биологических экспериментах).

Как известно, генетическая информация из ДНК сначала копируется в молекулу РНК (точнее, в матричную РНК, потому что у РНК много разновидностей), а с РНК потом работают белок-синтезирующие машины. На активных генах синтезируется много РНК-копий, на неактивных – мало; значит, чтобы оценить генетическую активность в клетке, нужно сравнить в ней количество РНК от разных генов.
В последние годы биологи научились считать молекулы РНК в одной-единственной клетке – то, что нужно, если мы хотим узнать, как в эмбрионе клетки превращаются друг в друга. Исследователи из Гарварда семь раз брали зародыши рыб на ранних стадиях развития (начиная с 4 часов и до 24 часов после оплодотворения, когда в зародыше появляются зачатки органов) и разбирали их на отдельные клетки, и в каждой клетке читали последовательности РНК.
Кроме того, эмбрионы с самого начала снабжали особыми метками в виде кусочков ДНК с уникальными последовательностями – когда клетки делились, им доставались те или иные ДНК-метки, так что про каждую клетку можно было узнать, от кого она произошла. Всего пришлось проанализировать около 92 000 клеток; но в результате удалось понять, как меняется активность генов в клетках с разной родословной в течение первых суток эмбрионального развития.

В другом эксперименте те же зародыши рыб анализировали на еще более ранних этапах развития: каждые 45 минут в течение первых девяти часов жизни. Здесь цель была в том, чтобы выявить сходства и различия в активности генов между клетками из разных линий – задача весьма непростая, если учесть, что в первые часы жизни в зародыше рыбы появляются 25 типов клеток, и потребовавшая довольно изощренного компьютерного алгоритма.
Наконец, зародыши лягушки брали десять раз между пятью и двадцатью двумя часами после оплодотворения и также разбирали на клетки – тут РНК пришлось анализировать примерно у 137 000 клеток.

Результаты принесли некоторые сюрпризы. Раньше считалось, что когда клетка выбирает тот или иной путь развития, она уже не может с него свернуть – то есть если запустилась «мышечная программа», то потомки такой клетки будут однозначно стремиться стать мышцей. Но в эмбрионах рыб были клетки, которые ухитрялись идти по какому-то срединному пути, будучи в состоянии переключаться с одной программы дифференцировки на другую.
С другой стороны, удалось выяснить, что еще на стадии совсем неоформленного зародыша, когда он представляет собой всего лишь клеточный пузырь, его клетки уже начинают определяться с собственным предназначением: например, в шарообразном раннем эмбрионе лягушки есть клетки, которые уже готовятся сформировать хвост головастика.

И, конечно же, оба зародыша сравнили друг с другом. Считается, что до определенного момента развитие у позвоночных животных идет схожим образом – и некоторые ключевые гены в обоих зародышах действительно работали одинаково. Однако различий обнаружилось все же больше, чем ожидали исследователи.
Наконец, мутации, которые специально вносили в геном эмбрионов, приводили к тому, что зародыш лишался целой группы клеток – но притом другие клетки в нем работали нормально, хотя мутации должны были сказаться на них всех.

Однако в любом случае, какие бы сюрпризы ни поджидали бы биологов дальше, мы видим, что новые методы позволяют до конца разобраться в «мистике» эмбрионального развития – а чем больше мы будем здесь знать, тем раньше научимся предотвращать разнообразные врожденные пороки, многие из которых до сих пор остаются неизлечимыми заболеваниями.

Новости партнеров

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>