«MEMOIR позволяет клеткам записывать свою историю в своих геномах и позволяет нам считывать эту информацию с помощью передовых методов микроскопии», — говорит Лонг Цай, доцент кафедры химии Калифорнийского технологического института и главный исследователь нового исследования, опубликованного 21 ноября в журнале. Природа.
Соавторами статьи являются постдокторанты Кирстен Фрида и Саханд Хормоз, а также ученый-исследователь Джеймс Линтон.«Обычно мы можем видеть состояние клетки только в тот момент, когда на нее смотрим», — говорит один из главных исследователей Майкл Эловиц, профессор биологии и биоинженерии Калифорнийского технологического института и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза. «Но что мы действительно хотим знать, так это то, какова история этой ячейки?
Кто ее сестры и кузены? С кем она разговаривала и когда?»
Новое исследование служит доказательством принципа, демонстрируя, что MEMOIR может считывать историю клеток мышей. В конечном итоге, по словам исследователей, этот метод поможет в понимании развития тканей и животных, а также в исследованиях аномального развития пораженных тканей, таких как опухоли.Реконструкция клеточных генеалогических деревьевТочно так же, как биологи используют ДНК для отслеживания происхождения людей и других видов животных, молекулярные биологи могут использовать ДНК для отслеживания происхождения клеток.
По мере развития животных их клетки делятся и размножаются, что приводит к появлению новых поколений. Молекулярные биологи разрабатывают различные методы для реконструкции линий клеточных семейств и ответов на вопросы о том, когда и как они развиваются.Этой цели помогли два новых мощных инструмента. В одном из них, редактировании генома, генетический код развивающегося организма может быть изменен в любом назначенном целевом участке с помощью системы нарезки ДНК, называемой CRISPR.
Любое изменение, записанное в геноме одной клетки, передается последующим поколениям. Изменения, произошедшие раньше в развитии животного, проявятся во многих его клетках, тогда как более свежие изменения появятся в меньшем количестве клеток. Анализируя шаблоны изменений ДНК, исследователи могут определить общих предков клеток и выяснить, как они связаны; например, они могут определить, какие клетки являются сестрами или двоюродными братьями. Подобные подходы используются в различных областях науки, включая средневековую историю.
«Историки могут определить происхождение и происхождение средневековых рукописей из-за ошибок, распространенных средневековыми переписчиками в аббатствах», — говорит Цай. «Таким образом, распространяемые ошибки довольно информативны для истории текстов и, в нашем случае, ячеек».Другой инструмент, называемый последовательной флуоресцентной гибридизацией на месте одной молекулы — seqFISH — был разработан Cai для изучения того, какие гены активны в отдельной клетке. В недавней статье Neuron команда Цая продемонстрировала, как эту технику можно использовать для определения уровней экспрессии более 200 генов в одной клетке. Этот метод также позволяет исследователям анализировать активность генов клетки в том месте, где она зародилась в организме.
Предыдущие методы требовали, чтобы клетки были отделены от их естественного окружения.В новом исследовании ученые объединили два инструмента: метод seqFISH использовался для отслеживания изменений, внесенных в геном посредством редактирования CRISPR.«Ключевым моментом была разработка особого типа элемента хранения геномной памяти, аналогичного компьютерному биту, который можно было бы переключать с помощью CRISPR между двумя разными состояниями», — говорит Эловиц. «Это можно отличить, просто посмотрев на ячейки с помощью seqFISH и определив, имеют ли они одни и те же изменения CRISPR».Запись сотового "разговора"
Эту систему можно использовать для получения не только информации о клеточном происхождении, но и о событиях, которые произошли с клетками в прошлом — когда они получали сообщения друг от друга или когда они переходили с одного типа клеток на другой. Например, по мере развития опухоли некоторые клетки могут получать другие молекулярные сигналы, чем другие клетки, вызывая разные судьбы. Одна клетка может стать метастатической и мигрировать, в то время как другая клетка останется неподвижной.
Возможность отслеживать, как сигналы в прошлом влияли на судьбу клетки в настоящем, может дать новый взгляд на развитие опухоли во времени и пространстве.«Технология обещает нам доступ к информации внутри ячейки, к которой мы раньше не были причастны», — говорит Линтон. «Потенциально MEMOIR может записывать активность множества сигнальных путей в отдельных клетках, предоставляя информацию о том, как эти пути работают вместе, чтобы влиять на клетку для принятия решений, например, когда нервная стволовая клетка дифференцируется, чтобы стать нейроном».В текущем исследовании исследователи проследили историю эмбриональных стволовых клеток мыши на протяжении трех поколений.
В будущем они надеются проследить за еще большим количеством поколений и в конечном итоге узнать жизненные истории развития животных, рассказанные в их клеточных мемуарах.