Ya sea un gusano, un ser humano o una ballena azul, toda la vida multicelular comienza como un huevo unicelular.
De esta célula solitaria emerge la galaxia de otras necesarias para construir un organismo, con cada nueva célula desarrollándose en el lugar correcto en el momento adecuado para llevar a cabo una función precisa en coordinación con sus vecinos.
Esta hazaña es una de las más notables en el mundo natural, y a pesar de décadas de estudio, una comprensión completa del proceso ha eludido a los biólogos.
Ahora, en tres estudios históricos publicados en línea el 26 de abril en ciencia , los investigadores de la Facultad de Medicina de Harvard y la Universidad de Harvard informan cómo han perfilado sistemáticamente cada célula en el desarrollo de embriones de pez cebra y rana para establecer una hoja de ruta que revela cómo una célula construye un organismo completo.
Utilizando la tecnología de secuenciación de células individuales, los equipos de investigación rastrearon el destino de las células individuales durante las primeras 24 horas de vida de un embrión. Sus análisis revelan el panorama completo de qué genes se activan o desactivan, y cuándo, como embrionariostransición de células a nuevos estados y tipos de células.
Juntos, los resultados representan un catálogo de "recetas" genéticas para generar diferentes tipos de células en dos especies modelo importantes y proporcionan un recurso sin precedentes para el estudio de la biología del desarrollo y la enfermedad.
"Con la secuenciación de una sola célula, podemos, en un día de trabajo, recapitular décadas de investigación minuciosa sobre las decisiones que toman las células en las primeras etapas de la vida", dijo Allon Klein, profesor asistente de biología de sistemas y coautor correspondiente de HMS.de dos de los tres ciencia estudios
Biomédicamente, estos recursos básicos para el desarrollo de los organismos son tan importantes como tener recursos básicos para sus genomas, dijeron los investigadores.
"Con los enfoques que hemos desarrollado, estamos trazando lo que creemos que será el futuro de la biología del desarrollo a medida que se transforma en una ciencia cuantitativa impulsada por los 'grandes datos'", dijo Klein.
Además de arrojar nueva luz sobre las primeras etapas de la vida, el trabajo podría abrir la puerta a una nueva comprensión de una serie de enfermedades, dijo Alexander Schier, profesor de biología molecular y celular Leo Erikson de ciencias biológicas en Harvard, yun autor correspondiente del tercer estudio.
"Prevemos que cualquier proceso biológico complejo en el que las células cambien la expresión génica con el tiempo puede reconstruirse utilizando este enfoque", dijo Schier. "No solo el desarrollo de embriones sino también el desarrollo de cáncer o degeneración cerebral".
uno a la vez
Cada célula en un embrión en desarrollo lleva dentro una copia del genoma completo del organismo. Al igual que los trabajadores de la construcción que usan solo la porción relevante de un plano al colocar los cimientos de un edificio, las células deben expresar los genes necesarios en el momento apropiado para que el embrión se mueva.desarrollarse correctamente
En sus estudios, Klein colaboró con los coautores Marc Kirschner, el profesor de biología de sistemas de la Universidad John Franklin Enders de HMS, Sean Megason, el profesor asociado de biología de sistemas de HMS y sus colegas para analizar este proceso en el pez cebra y la rana zorra Xenopus tropicalis embriones, dos de las especies modelo mejor estudiadas en biología.
Los investigadores aprovecharon el poder de InDrops, una tecnología de secuenciación de células individuales desarrollada en HMS por Klein, Kirschner y colegas, para capturar los datos de expresión génica de cada célula del embrión, una célula a la vez. Los equipos colectivamente perfilaron más de200,000 células en múltiples puntos de tiempo durante 24 horas para ambas especies.
Para mapear el linaje de esencialmente cada célula a medida que se desarrolla un embrión, junto con la secuencia precisa de eventos de expresión génica que marcan nuevos estados y tipos celulares, los equipos desarrollaron nuevas técnicas experimentales y computacionales, incluida la introducción de códigos de barras de ADN artificial pararastrea las relaciones de linaje entre las células, llamadas TracerSeq.
"Comprender cómo se hace un organismo requiere saber qué genes se activan o desactivan cuando las células toman decisiones de destino, no solo la secuencia estática de un genoma", dijo Megason. "Este es el primer enfoque tecnológico que nos ha permitido sistemáticamentey cuantitativamente abordar esta pregunta "
En el estudio codirigido por Schier, el equipo de investigación utilizó Drop-Seq, una tecnología de secuenciación unicelular desarrollada por investigadores del HMS y el Broad Institute of MIT y Harvard, para estudiar los embriones de pez cebra durante 12 horasresolución de tiempo: en equipo con Aviv Regev, miembro principal de Broad, Schier y sus colegas reconstruyeron las trayectorias celulares a través de un método computacional que llamaron URD, en honor a la figura mitológica nórdica que decide todos los destinos.
Schier y sus colegas perfilaron más de 38,000 células y desarrollaron un "árbol genealógico" celular que reveló cómo la expresión génica en 25 tipos de células cambió a medida que se especializaban. Al combinar esos datos con la inferencia espacial, el equipo también pudo reconstruir el espacioorígenes de los diversos tipos de células en el embrión de pez cebra temprano.
Receta para el éxito
En ambas especies, los hallazgos de los equipos reflejaron mucho de lo que se sabía previamente sobre la progresión del desarrollo embrionario, un resultado que subrayó el poder de los nuevos enfoques. Pero los análisis no tuvieron precedentes al revelar en detalle las cascadas de eventos quellevar células de estados progenitores o "generalistas" tempranos a estados más especializados con funciones estrechamente definidas.
Los equipos identificaron detalles que de otro modo serían difíciles de detectar, como tipos y subtipos de células raras y vincularon patrones de expresión génica nuevos y altamente específicos a diferentes linajes celulares. En varios casos, encontraron tipos de células que surgieron mucho antes de lo que se pensaba anteriormente.
Para los científicos que se esfuerzan por responder preguntas sobre enfermedades humanas, estos datos podrían ser poderosamente esclarecedores. En la medicina regenerativa, por ejemplo, los investigadores han buscado durante décadas manipular las células madre hacia destinos específicos con el objetivo de reemplazar las células, tejidos u órganos defectuosos confuncionales. Los detalles recién recogidos sobre la secuencia de cambios en la expresión génica que precipitan la aparición de tipos de células específicas pueden impulsar estos esfuerzos aún más.
"Con estos conjuntos de datos, si alguien quiere hacer un tipo de célula específico, ahora tienen la receta de los pasos que esas células tomaron cuando se formaron en el embrión", dijo Klein. "En cierto sentido, hemos establecido un ororeferencia estándar de cómo los procesos de diferenciación complejos realmente progresan en embriones, y establece un ejemplo de cómo reconstruir sistemáticamente este tipo de procesos "
Cuando se combina con uno de los conceptos centrales en la investigación biológica, la idea de interrumpir un sistema para estudiar lo que sucede, la secuenciación unicelular puede generar ideas difíciles de alcanzar antes, dijo Klein.
Como prueba de principio, Klein, Megason y sus colegas utilizaron el sistema de edición de genes CRISPR / Cas9 para crear el pez cebra con una forma mutante de cordina, un gen involucrado en la determinación de la orientación de atrás hacia adelante de un embrión en desarrollo. Schier ysus colegas adoptaron un enfoque similar al perfilar el pez cebra con una mutación en un gen de patrón diferente conocido como cabeza de alfiler de un ojo.
Cuando se analizaron con secuenciación unicelular, los equipos confirmaron descripciones previamente conocidas de acordes y mutantes de cabeza de alfiler de un solo ojo, y pudieron describir en detalle o incluso predecir los efectos de estas mutaciones en las células en desarrollo y los tejidos nacientes en todo el embrión.
Inesperadamente, los grupos descubrieron de forma independiente que a nivel de células individuales, la expresión génica era la misma en mutantes y tipo salvaje, a pesar de la pérdida de una vía de señalización esencial. Sin embargo, las proporciones de los diferentes tipos de células cambiaron.
"Este trabajo solo fue posible a través de tecnologías recientes que nos permitieron analizar la expresión génica en miles de células individuales", dijo Schier. "Ahora la escala es mucho más grande, de modo que podemos reconstruir la trayectoria de casi todas las células y todos los genes duranteembriogénesis. Es casi como pasar de ver algunas estrellas a ver todo el universo "
Replanteando las definiciones
Los equipos de investigación también demostraron cómo se pueden extraer estos datos para responder preguntas fundamentales de larga data en biología.
Cuando Klein, Kirschner, Megason y sus colegas compararon paisajes de estado celular entre embriones de pez cebra y rana, observaron principalmente similitudes. Pero sus análisis también revelaron numerosas sorpresas. Una de esas observaciones fue que los genes que marcan los estados celulares en una especie a menudo eran pobresmarcadores genéticos para el mismo estado celular en las otras especies. En varios casos, encontraron que la secuencia de ADN de un gen, y la estructura de la proteína que codifica, podría ser casi idéntica entre las especies pero tener patrones de expresión muy diferentes.
"Esto realmente nos sorprendió, porque va en contra de toda la intuición que teníamos sobre el desarrollo y la biología", dijo Klein. "Fue una observación realmente incómoda. Desafía directamente nuestra idea de lo que significa ser un cierto tipo de célula". ""
La razón por la cual estas diferencias no se detectaron antes, según los investigadores, es que los análisis computacionales "prestan atención" a los datos de una manera fundamentalmente diferente de cómo lo hacen los humanos.
"Creo que esto refleja cierto nivel de sesgo de confirmación. Cuando los científicos encuentran algo conservado entre especies, lo celebran como un marcador", dijo Megason. "Pero a menudo, se ignoran todas las demás características no conservadas. Los datos cuantitativos nos ayudan a pasaralgunos de estos prejuicios "
En otro hallazgo sorprendente, los equipos observaron que el proceso de diferenciación celular en distintos tipos de células, que comúnmente se cree que se produce en una estructura en forma de árbol donde diferentes tipos de células se ramifican desde una célula ancestral común, puede formarse "bucles ", así como ramas".
Por ejemplo, la cresta neural, un grupo de células que dan lugar a diversos tipos de tejido, incluido el músculo liso, ciertas neuronas y el hueso craneofacial, inicialmente emerge de los precursores neurales y de la piel, pero es bien conocido por generar células que aparecencasi idéntico a los precursores de hueso y cartílago.
Los nuevos resultados sugieren que podrían ocurrir bucles similares en otras situaciones. Que las células en el mismo estado pueden tener historias de desarrollo muy diferentes sugiere que nuestra visión jerárquica del desarrollo como un "árbol" está demasiado simplificada, dijo Klein.
Los tres equipos también identificaron ciertas poblaciones celulares que existían en una especie de estado intermedio de "toma de decisiones". Schier y sus colegas descubrieron que, en ciertos puntos clave de desarrollo clave, las células parecían descender por una trayectoria de desarrollo, pero luego cambiaron su destino aotra trayectoria
Klein, Megason, Kirschner y sus colegas hicieron una observación relacionada de que, al principio del desarrollo, algunas células activaron dos programas de desarrollo distintos. Aunque esas células intermedias eventualmente adoptarían una identidad única, estos descubrimientos se suman a la imagen de cómo las células desarrollan su eventual desarrollodestino e insinuar que puede haber factores más allá de los genes involucrados en la dirección del destino celular.
"Con las células multilínea, tenemos que empezar a preguntarnos si su destino final está determinado por alguna fuerza selectiva o interacción con el medio ambiente, en lugar de solo programas genéticos", dijo Kirschner.
Fundación futura
Los conjuntos de datos recién generados y las nuevas herramientas y tecnologías desarrolladas como parte de estos estudios sientan las bases para un amplio espectro de exploración futura, según los autores.
Los biólogos del desarrollo pueden recopilar más datos de mayor calidad sobre muchas especies, seguir a los embriones más a tiempo y realizar cualquier número de experimentos de perturbación, todo lo cual puede ayudar a mejorar nuestra comprensión de las reglas fundamentales de la biología y la enfermedad.
Estos recursos también pueden servir como un punto focal para la colaboración y la interacción, ya que la mayoría de los laboratorios no tienen la profundidad de experiencia necesaria para explotar todos los datos e información generados, señalaron los autores.
"Creo que estos estudios están creando un verdadero sentido de comunidad, con investigadores haciendo preguntas e interactuando entre sí de una manera que se remonta a tiempos anteriores en el estudio de la embriología", dijo Kirschner.
Los tres estudios, dijo Schier, son un ejemplo de cómo la comunidad científica puede trabajar en preguntas complementarias para responder preguntas importantes en biología.
"En lugar de competir, nuestros grupos estuvieron en contacto regular durante los últimos dos años y coordinaron la publicación de nuestros estudios", dijo. "Y es genial lo complementarios que son los tres documentos; cada uno resalta diferentes formas en que datos tan complejoslos conjuntos se pueden generar, analizar e interpretar "
El próximo salto conceptual, sugieren los equipos, será comprender mejor cómo se toman las decisiones sobre el destino de las células.
"En este momento, tenemos una hoja de ruta, pero no nos dice cuáles son las señales", dijo Megason. "Lo que tenemos que hacer es descubrir las señales que dirigen las células hacia ciertas carreteras y cuáles son los mecanismos internosson las que permiten a las células tomar esas decisiones "
Sea lo que sea lo que depare el futuro, estos conjuntos de datos dejarán su huella.
"La belleza de trabajar en un organismo es que eso es todo", dijo Klein. "Diez, 20 años a partir de ahora, todavía podemos estar seguros de que el pez cebra y las ranas se desarrollarán de acuerdo con los mismos patrones".
Los tres equipos de investigación han puesto a disposición sus conjuntos de datos y herramientas como recursos en línea interactivos y navegables.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Medicina de Harvard . Original escrito por Kevin Jiang. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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