Udarbejdet det mest detaljerede kort over genekspression i Drosophila embryo • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik, udviklingsbiologi

Kompileret det mest detaljerede kort over genekspression i Drosophila embryoen

Fig. 1. Ekspression regioner af gapet og par-regel gener på forskellige stadier af udvikling af Drosophila embryo. Spinal side – på toppenfrontend – til venstre. Fødselsalderen stiger fra En op til F, som kan ses ved at multiplicere lyse prikker – kerner. Til venstre (EnC) i rødt genet er vist endda springet (eve), grøn – hunchback (hb), blå – bicoid (BCD); til højre (DF) rød er vist selv-sprunget over, grøn – Kruppel (Kr), blå – pukkelrygget. Billede fra C. Fritsch et al., 2006. Drosophila til hele embryoner

RNA-sekventering fra tusindvis af individuelle celler tillod tyske biologer at kompilere det mest detaljerede genekspressionskort i Drosophila-embryoet i begyndelsen af ​​gastrulationsfasen. Kortet afspejler temmelig nøjagtigt ekspressionen af ​​6-8 tusinde gener i hver celle i embryoet. Det giver mulighed for at løse forskellige forskningsopgaver: at opdage tidligere ukendte udviklingsregulatorer, at analysere de generelle love om den tredimensionelle organisering af embryoet og evolutionen af ​​ontogenese. Arbejdet repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at løse den primære opgave for udviklingsbiologi – en komplet og omfattende forståelse for, hvordan genotypen er indbefattet i fænotypen.

Differentiering af celler spiller en central rolle i embryonisk udvikling, som er baseret på inkludering af forskellige sæt af gener i forskellige celler som reaktion på visse signaler (seHvordan forstår cellerne, at nogle skal blive hår, andre bliver knogler, andre skal blive hjerner mv.). Mønstre af genekspression – udviklingsregulatorer skaber et embryos rumlige layout, der efterhånden tegner det som en tegning af den fremtidige organisme (figur 1).

Til Drosophila Drosophila melanogaster, et af de mest undersøgte dyr, er rumtidsmønstrene af udtryk for snesevis af regulerende gener allerede kendt. Dette gjorde det muligt generelt at forstå, hvordan de forreste og bageste ender af kroppen, de dorsale og ventrale sider, segmenterne og organerne er dannet (se Mikhail Nikitin. Gene netværk, der styrer dyrkets struktur). Imidlertid forbliver billedet ufuldstændigt: ikke alle gener, som påvirker udviklingen, studeres, og deres ekspressionsområder er ofte kun kortlagt.

Ideelt set vil jeg gerne have præcise oplysninger om udtrykket af hvert gen i hver celle i embryoet i hvert udviklingsstadium. Men er det muligt? Indtil nu har dette detaljeringsniveau været uopnåeligt. Men videnskaben står ikke stille, og hvad der syntes at være en uopnåelig drøm for nylig, bliver pludselig en realitet.

I en artikel udgivet i en journal Videnskab Den 13. oktober rapporterede forskere fra Max Delbrück Center for Molekylær Medicin i Berlin om oprettelsen af ​​det mest detaljerede genekspressionskort af Drosophila-embryoet i udviklingsstadiet forud for starten af ​​morfogenese. På dette tidspunkt (det såkaldte stadium 6, se trin 6) består embryoet af ca. 6.000 celler, der endnu ikke har synlige morfologiske strukturer, og er lige begyndt gastrulering.

Forfatterne gjorde alt for at inddrage det maksimale antal gener (ikke kun proteinkoding, men også regulatoriske RNA-gener) i analysen, og for at opnå maksimal rumlig opløsning, kortlægning af udtrykket i hver celle i embryoet separat. For at gøre dette anvendte de den nyligt opfundne Drop-Seq-teknologi baseret på placering af celler i små vanddråber, mærkning af RNA i hver dråbe med en særlig etiket og efterfølgende total RNA-sekventering (se EZ Macosko et al., 2015. Meget parallel genomspredt profilering af individuelle celler ved anvendelse af nanoliterdråber). Drop-Seq-metoden giver dig mulighed for samtidig at måle udtrykket af flere tusinde gener i hver celle. Individuelle etiketter gør det muligt at forstå, hvilke af de sekventerede RNA-molekyler kommer fra det samme, og hvilke kommer fra forskellige celler.

Forfatterne var i stand til nøjagtigt at måle genekspression i ca. 1300 Drosophila embryo celler ved trin 6. For hver celle blev ekspressionsniveauet pålideligt bestemt for et gennemsnit på 3.100 gener.

En foreløbig analyse af dataene viste, at ekspressionsprofilerne i forskellige celler i embryoen er meget forskellige: næsten hver celle har en unik profil. Det betyder, at der opstilles et ekspressions kort med et maksimum, det vil sige at mobilniveauet ikke er et indfald, men det rigtige og nødvendige skridt i retning af at forstå udviklingsmekanismerne.

Desværre kræver Drop-Seq-metoden en foreløbig adskillelse af embryoet i individuelle celler. Samtidig er information om, hvilken del af embryoet en bestemt celle kommer fra, gået tabt, og så skal den på en eller anden måde genoprettes. Dette var den største metodologiske vanskelighed, som forfatterne måtte overvinde. For at gøre dette brugte de oplysningerne om ekspressionsmønstrene af individuelle gener, som blev opnået tidligere. Specielt inden for rammerne af Berkeley Drosophila Transcription Network Project (BDTNP) blev udtrykket af 84 udviklingsregulerende gener kortlagt med stor nøjagtighed (C. C. Fowlkes et al., 2008.En kvantitativ spatiotemporal atlas af genekspression i Drosophila Blastoderm). Efter at have analyseret disse data og sammenlignet dem med resultaterne af Drop-Seq konkluderede forfatterne, at man ved at kende ekspressionsniveauet for hver af de 84 gener i den analyserede celle, kan bestemme helt præcist (inden for flere cellediametre) fra hvilket sted af embryoet cellen opstår.

Således blev hver celle pålideligt bundet til en specifik, meget lille del af embryoet. Da ikke en, men flere celler blev bundet til hvert sådant sted, hvor hver af dem målte ekspressionsniveauet for et gennemsnit på 3100 gener (og sætene af gener med den målte ekspression var forskellige for forskellige celler), for hvert sted var det muligt at i sidste ende evaluere udtrykket 6-8 tusinde gener.

Som resultat heraf blev det mest detaljerede tredimensionale kort over genekspression i Drosophila embryoen på tidspunktet for indtræden af ​​gastrulering opnået. Kortet præsenteres i form af et interaktivt system, Drosophila Virtual Expression eXplorer (DVEX), som kan vise et ekspressionsmønster for et hvilket som helst valgt gen.

Forfatterne sammenlignede billederne tegnet af deres program med de faktiske ekspressionsmønstre af individuelle gener opnået ved den klassiske metode – ved hjælp af hybridisering in situ. Sammenligningen viste, at kortet var ret præcist (figur 2).

Fig. 2. Sammenligning af virtuelle kortdata skabt af forfatterne af artiklen under drøftelse (ordninger i første og tredje kolonne) med ekspressionsmønstre af individuelle gener opnået ved anvendelse af in situ hybridisering (fotos i anden og fjerde kolonne). Det kan ses, at kortet helt præcist falder sammen med de empiriske data. Ekspressionsmønstre af gener, hvis navne begynder med "CG", analyseres for første gang i artiklen under drøftelse. vISH (virtuel in situ hybridisering) – "virtuel hybridisering in situ"Som forfatterne kalder billeder opnået ved hjælp af deres computersystem. RNA ISH (RNA in situ hybridisering) – konventionel RNA-hybridisering in situ. Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

Værdien af ​​dette arbejde er, at specialister i udviklingsbiologi har modtaget et nyt kraftfuldt værktøj til løsning af forskellige videnskabelige problemer. I artiklens sidste del viste forfatterne flere mulige retninger, hvor deres afkom kan bruges.

Fig. 3. Dendrogram af lighed mellem genekspression mønstre og ti gennemsnitlige "arketypiske" mønstre. Figur fra yderligere materialer til artiklen under drøftelse i Videnskab

For eksempel kan du kigge efter generelle mønstre i forskellige ekspressionsmønstre af forskellige gener.Dette vil belyse de grundlæggende principper for embryoets rumlige organisation. Forfatterne forsøgte at klassificere ekspressionsmønstrene af de studerede gener ved at konstruere et lighedsprogram for dem (figur 3). Det viste sig, at mangfoldigheden af ​​ekspressionsmønstre falder i 10 klynger, for hver af dem er det muligt at sammensætte et generaliseret "arketypisk" ekspressionsmønster. Sådan information er vigtig for at dechifrere reguleringsgenetværker: Det er for eksempel logisk at antage, at gener tilhørende samme klynge har et lignende reguleringssystem, det vil sige de reagerer på samme måde som visse signaler.

Derudover kan et detaljeret genekspressionskort bruges til at detektere nye udviklingsregulatorer. Et eksempel er vist i fig. 2 nederst til højre. Lang ikke-kodende RNA CR43432, hvis udtryk ikke tidligere er blevet kortlagt, og hvis funktion er ukendt, udtrykkes som det viste sig der og kun hvor ikke de vigtigste gener, der styrer udviklingen af ​​neuroektoderm, udtrykkes, såsom SoxN. Det betyder det CR43432 er sandsynligvis at være en regulator for embryonisk udvikling: det begrænser måske spredningen af ​​neuroektoderm eller påvirker udviklingen af ​​celler, der vælger en ikke-neuroektodermal skæbne.

Når man har et præcist ekspressionskort, kan man spore i hvilke dele af embryoet visse signalstoffer produceres, og gætte hvilke sektioner disse signaler er beregnet til. Herudover vil kortet hjælpe med at studere evolutionen af ​​ontogenese. Forfatterne illustreret denne mulighed ved at bygge for en anden art af frugtfly, D. virilis, et mindre detaljeret kort over genekspression i samme udviklingsstadium og afslørende adskillige kontrasterende forskelle fra D. melanogaster.

Arbejdet er et vigtigt skridt i retning af at løse den primære opgave for udviklingsbiologi, som er at forstå, hvordan arvelig information er indbefattet i fænotypen. Og for ikke at forstå generelt (for Drosophila kan det allerede siges at være gjort), men i alle detaljer. Besiddelse af fuldstændige oplysninger om hvordan arbejdet for hvert gen reguleres og påvirkes under ontogenes vil åbne up hidtil usete muligheder for menneskeheden, op til udformningen af ​​kunstige organismer med eventuelle ønskede egenskaber.

Kilde: Nikos Karaiskos, Philipp Wahle, Jonathan Alles, Anastasiya Boltengagen, Salah Ayoub, Claudia Kipar, Christine Kocks, Nikolaus Rajewsky og Robert P. Zinzen. den Drosophila embryo ved enkeltcellet transkriptomopløsning // Videnskab. 2017. V. 358, s. 194-199. DOI: 10.1126 / science.aan3235.

Se også:
1) Mikhail Nikitin. Gen-netværk, som styrer kroppens struktur af dyr.
2) Sean Carroll. Et uendeligt antal af de smukkeste former.
3) Hvordan forstår cellerne, at nogle skal blive hår, andre bliver ben, stadig andre skal blive hjerner osv.?

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: