Этот новый и более систематический подход позволяет исследователям одновременно анализировать все различные типы клеток эмбриона и, что важно, с разрешением одной клетки. «Я ожидаю, что такой подход сэкономит лабораториям по всему миру много времени», – говорит Эйлин Ферлонг, которая вместе с Джеем Шендуром из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле руководила работой в EMBL в Гейдельберге.
Раньше исследователь должен был сначала выделить различные типы клеток, а затем исследовать хроматин каждого типа в отдельных партиях. Этот длительный метод позволил получить усредненное представление о тысячах ячеек определенного типа. «В предыдущих исследованиях использовались различия в содержании РНК для определения типов клеток и траекторий их развития», – говорит Шендуре. «Здесь мы вместо этого измеряем состояние хроматина в отдельных клетках, которое содержит регуляторную программу, которая регулирует, как и когда РНК экспрессируются в каждой клетке."
«Впервые мы изучили, как эти сигнатуры экспрессии регулируются и, следовательно, управляют траекториями отдельных клеток на раннем этапе развития», – добавляет Ферлонг.
Роль хроматина
Хроматин – это плотно свернутая структура ДНК и белков, которая используется для хранения генетической информации внутри ядра клетки. Хроматин в клетке человека содержит около двух метров ДНК, упакованных в ядро размером менее одной сотой миллиметра в поперечнике.
Регуляторные элементы, такие как промоторы и энхансеры, представляют собой короткие участки ДНК, которые регулируют уровни экспрессии генов и, следовательно, производство белков, которые в конечном итоге делают типы клеток отличными друг от друга. Когда клетки используют определенный регуляторный элемент, хроматин раскручивается, и его содержимое становится доступным. Вот почему Ферлонг, Шендуре и его коллеги ожидали, что доступность хроматина прольет свет на то, как клетка следует определенному пути развития, превращаясь, например, в высокоспециализированную мышечную или нервную клетку.
Наличие информации о доступности хроматина для отдельной клетки позволило команде определить идентичность клетки и то, как она регулируется.
Они провели эксперименты на эмбрионах плодовой мухи, очень важном модельном организме как для биологии развития, так и для моделей болезней, но этот подход может быть применен к любым видам. Результаты идентифицировали тысячи ранее неизвестных регуляторных элементов, которые используются только в подмножестве клеток, и предсказали, когда и где каждый элемент будет активен во время развития.
Данные, доступные через удобный браузер (см. Ниже), выявляют множество различий между типами клеток и предоставляют мощный ресурс для будущих исследований.
Эта работа стала результатом сотрудничества Джеймса Реддингтона и Дэвида Гарфилда в группе Ферлонга в EMBL и Даррена Кусановича в группе Джея Шендура в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сиэтле.
Забегая вперед, исследовательская группа планирует расширить это исследование и интегрировать другие уровни одноклеточной информации о регуляции решений клеточной судьбы во время эмбриогенеза.