Todos los humanos comienzan la vida como una sola célula que se divide repetidamente para formar dos, luego cuatro, luego ocho células, hasta las ~ 26 mil millones de células que forman un recién nacido. Trazar cómo y cuándo surgen esas 26 mil millones de célulasUn cigoto es el gran desafío de la biología del desarrollo, un campo que hasta ahora solo ha sido capaz de capturar y analizar instantáneas del proceso de desarrollo.
Ahora, un nuevo método desarrollado por científicos del Instituto Wyss y la Escuela de Medicina de Harvard HMS finalmente lleva esa tarea desalentadora al campo de las posibilidades mediante el uso de códigos de barras genéticos en evolución que registran activamente el proceso de división celular en ratones en desarrollo, permitiendo el linajede cada célula del cuerpo de un ratón que se remonta a su origen unicelular.
La investigación se publica hoy en ciencia como un artículo de primera versión
"Los métodos actuales de seguimiento de linaje solo pueden mostrar instantáneas a tiempo, porque tienes que detener físicamente el proceso de desarrollo para ver cómo se ven las células en cada etapa, casi como mirar cuadros individuales de una película", dijo el autor principal GeorgeChurch, Ph.D., quien es miembro fundador de la Facultad del Instituto Wyss, profesor de genética en HMS y profesor de ciencias y tecnología de la salud en Harvard y MIT ". Este método de registro de código de barras nos permite reconstruir la historia completa deel desarrollo de cada célula madura, que es como reproducir la película completa al revés en tiempo real "
Los códigos de barras genéticos se crean usando un tipo especial de secuencia de ADN que codifica una molécula de ARN modificada llamada ARN guía de referencia hgRNA, que fue desarrollada en un documento anterior. Las moléculas de hgRNA están diseñadas de manera tal que cuando la enzima Cas9 de CRISPR-Cas9 fama está presente, el hgRNA guiará al Cas9 a su propia secuencia de hgRNA en el genoma, que Cas9 luego corta. Cuando la célula repara ese corte, puede introducir mutaciones genéticas en la secuencia de hgRNA, que se acumulan con el tiempo para crearun código de barras único
Los investigadores implementaron el sistema hgRNA-Cas9 en ratones creando un "ratón fundador" que tenía 60 secuencias diferentes de hgRNA dispersas por todo su genoma. Luego cruzaron el ratón fundador con ratones que expresaban la proteína Cas9, produciendo cigotos cuyas secuencias de hgRNA comenzaronser cortado y mutado poco después de la fertilización.
"En cada célula en la que se divide el cigoto, existe la posibilidad de que sus hgRNAs muten", explicó el primer autor Reza Kalhor, Ph.D., investigador postdoctoral en el Instituto Wyss y HMS ". En cada generación, todas las células adquieren sus propias mutaciones únicas además de las que heredan de su célula madre, por lo que podemos rastrear qué tan estrechamente relacionadas están las diferentes células al comparar qué mutaciones tienen ".
Cada hgRNA puede producir cientos de alelos mutantes; colectivamente, pueden generar un código de barras único que contiene el linaje de desarrollo completo de cada una de las ~ 10 mil millones de células en un ratón adulto.
La capacidad de registrar continuamente el desarrollo de las células también permitió a los investigadores resolver una pregunta de larga data con respecto al cerebro embrionario: ¿distingue primero su frente de su extremo posterior o primero su lado izquierdo del lado derecho? Al comparar los códigos de barras de mutación hgRNApresentes en células tomadas de diferentes partes del cerebro de dos ratones, descubrieron que las neuronas del lado izquierdo de cada región del cerebro están más estrechamente relacionadas con las neuronas del lado derecho de la misma región que con las neuronas del lado izquierdo de las regiones vecinas.El resultado sugiere que los patrones cerebrales de la parte frontal y posterior emergen antes que los patrones izquierda-derecha en el desarrollo del sistema nervioso central.
"Este método nos permite tomar la etapa de desarrollo final de un organismo modelo y, a partir de ahí, reconstruir un árbol de linaje completo hasta su etapa de célula única. Es un objetivo ambicioso que sin duda llevará muchos años realizar varios laboratorios"., pero este documento representa un paso importante para llegar allí ", dijo Church. Los investigadores ahora se están centrando en mejorar sus técnicas de lectura para que puedan analizar los códigos de barras de las células individuales y reconstruir el árbol de linaje que se ha registrado.
"Ser capaz de registrar células continuamente a lo largo del tiempo es un gran hito en la biología del desarrollo que promete aumentar exponencialmente nuestra comprensión del proceso por el cual una sola célula crece para formar un animal adulto y, si se aplica a modelos de enfermedades, podríaproporcionar información completamente nueva sobre cómo surgen enfermedades, como el cáncer ", dijo Donald Ingber, MD, Ph.D., Director Fundador del Instituto Wyss, quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en HMS y el Programa de Biología Vascular enBoston Children's Hospital, así como profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS John A. Paulson de Harvard.
Los autores adicionales del artículo incluyen a Kian Kalhor de la Universidad Tecnológica Sharif en Teherán, Irán; Leo Mejia del HMS, Kathleen Leeper y Amanda Graveline del Instituto Wyss, y Prashant Mali, profesor asociado de la Universidad de California, San Diego.
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud y la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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