Oamenii de știință au scris „arborele genealogic” al unui șoarece direct în ADN. Peste un milion de celule, urmărite până la începutul vieții

Cum ajunge o singură celulă fertilizată să construiască un organism cu organe, țesuturi și sute de tipuri diferite de celule? Două echipe de cercetători au făcut unul dintre cei mai importanți pași de până acum spre găsirea unui răspuns, folosind tehnologii de editare genetică ce transformă ADN-ul într-un fel de registru genealogic. Într-unul dintre studiile publicate în Science, cercetătorii au reconstruit istoria a 1,28 milioane de celule dintr-un singur embrion de șoarece, pornind de la zigot și urmărind dezvoltarea timp de aproape două săptămâni.

În paralel, o a doua echipă a urmărit peste 1,4 milioane de celule din 16 embrioni, folosind o metodă diferită, numită PEtracer. Împreună, cele două studii oferă cea mai detaliată imagine de până acum asupra modului în care un mamifer se construiește, celulă cu celulă, și ar putea ajuta inclusiv la înțelegerea defectelor congenitale, a cancerului și a momentelor în care dezvoltarea normală începe să meargă într-o direcție greșită.

ADN-ul a devenit o „mașină de scris” care păstrează istoria fiecărei celule

Până acum, singurul animal pentru care oamenii de știință au reușit să urmărească practic întreaga genealogie celulară este viermele microscopic Caenorhabditis elegans. În anii 1980, cercetătorii au urmărit diviziunile sale la microscop, dar animalul adult are doar aproximativ o mie de celule. Repetarea procesului la un mamifer, cu un embrion opac și milioane sau miliarde de celule, este practic imposibilă prin simpla observare.

Soluția noilor studii este ingenioasă: celulele sunt modificate astfel încât, pe măsură ce se divid, să scrie periodic mici semne în propriul ADN. Când o celulă se divide, celulele-fiice moștenesc semnele deja existente și adaugă ulterior altele. La final, combinația de marcaje funcționează asemenea unei semnături genealogice, din care cercetătorii pot deduce cine din cine provine.

Vezi și:

Unde a venit deja iarna în România. Zonele pentru care ANM anunță lapoviță, ninsori și strat de zăpadă

Metoda folosită de echipa condusă de Jay Shendure se numește DNA Typewriter. Sistemul utilizează „benzi” sintetice de ADN, fiecare cu mai multe poziții în care un editor genetic poate introduce succesiv semne. Ideea amintește de o mașină de scris: după ce un simbol este introdus într-o poziție, sistemul avansează la următoarea.

Tehnologia se bazează pe prime editing, o metodă mai precisă și mai puțin distructivă decât primele sisteme de înregistrare genetică bazate pe CRISPR. Primele variante puteau șterge accidental informații introduse anterior, în timp ce noua abordare permite păstrarea unei istorii mult mai lungi a diviziunilor celulare. Pentru context, Playtech a explicat anterior cum funcționează tehnologia CRISPR și editarea precisă a ADN-ului.

Un singur embrion, 1,28 milioane de celule și un arbore genealogic uriaș

Echipa DNA Typewriter a introdus sistemul într-un ovul fecundat de șoarece și a permis embrionului să se dezvolte timp de 13,5 zile, aproximativ două treimi din durata gestației. Cercetătorii au analizat apoi 1.281.141 de celule, aproximativ 10% din totalul estimat al embrionului la acel stadiu.

Vezi și:

ADN-ul circular ascunde o vulnerabilitate a celulelor canceroase. Descoperirea care ar putea deschide o nouă cale pentru tratamente

Bananele care nu se mai înnegresc după ce sunt tăiate ar putea ajunge în magazine. Au fost modificate genetic cu CRISPR

Din marcajele genetice au reconstruit un arbore genealogic care pornește de la zigot și ajunge până la 138 de tipuri celulare. Complexitatea problemei este enormă: după cum explică unul dintre autorii studiului, chiar și pentru numai 22 de celule există mai multe variante posibile de arbori genealogici decât stele în Univers.

Cercetarea a permis chiar separarea descendenților celor două celule rezultate după prima diviziune a ovulului fecundat. Interesant este că cele două ramuri nu au contribuit cu același număr de celule la embrion – aproximativ 57% față de 42% – însă au produs proporții similare din diferitele tipuri de celule.

Este o abordare mult diferită de utilizările devenite deja cunoscute ale editării genetice. Playtech a prezentat inclusiv cazul unui șoarece obținut folosind modificări genetice complexe în dezvoltarea embrionară, dar aici editarea nu urmărește să creeze o anumită caracteristică. ADN-ul este folosit în principal ca un dispozitiv biologic de înregistrare.

Al doilea studiu arată cât de previzibil se construiește un mamifer

O echipă condusă de Jonathan Weissman, de la Whitehead Institute, a abordat aceeași problemă cu o tehnologie numită PEtracer. Cercetătorii au urmărit peste 1,4 milioane de celule din 16 embrioni și au reușit să reconstruiască aproximativ 75% dintre diviziunile celulare analizate.

Rezultatul surprinzător este că arborii celulari au fost foarte asemănători între embrioni. Ramurile importante ale dezvoltării apăreau, în general, la intervale care diferă cu mai puțin de șase ore, ceea ce indică un grad ridicat de reproductibilitate în modul în care organismul se construiește.

Dar originea unei celule nu îi decide întotdeauna definitiv destinul. Cercetătorii au observat, de exemplu, că unele celule care căptușesc vasele de sânge proveneau din ramuri genealogice diferite, însă mediul în care ajungeau le determina să adopte funcții asemănătoare. Invers, celule cu aceeași origine puteau dobândi identități foarte diferite dacă ajungeau în regiuni distincte ale creierului în dezvoltare.

Această observație oferă o nouă cale pentru studierea plasticității dezvoltării: cât de mult este destinul unei celule stabilit de strămoșii săi și cât de mult este determinat de locul în care ajunge și de semnalele pe care le primește.

Harta nu este încă completă, dar poate schimba studiul bolilor

Niciuna dintre cele două tehnologii nu poate încă înregistra perfect fiecare diviziune. DNA Typewriter folosește în prezent 11 „benzi”, fiecare cu șase poziții de înregistrare, iar cercetătorii recunosc că arborele obținut conține încă goluri și porțiuni reconstruite statistic. PEtracer are, la rândul său, limite și nu surprinde absolut toate etapele dezvoltării.

Obiectivul pe termen lung este însă mult mai ambițios: construirea unei hărți aproape complete a dezvoltării unui mamifer, de la prima celulă până la apariția organelor și țesuturilor. O asemenea hartă ar permite compararea dezvoltării normale cu situațiile în care mutațiile genetice sau alți factori produc malformații și boli. Cercetătorii cred că aceste instrumente ar putea oferi informații inclusiv despre mii de afecțiuni genetice care își au originea în dezvoltarea embrionară.

Tehnologiile de editare genetică evoluează rapid și în alte direcții. Recent, cercetătorii au descris și un sistem genetic identificat în virusuri care ar putea avea legături evolutive foarte vechi cu CRISPR, semn că instrumentele prin care oamenii de știință pot citi și modifica ADN-ul devin tot mai sofisticate.

Pentru moment, cercetătorii nu au construit încă „arborele genealogic” complet al unui șoarece. Dar au demonstrat că milioane de celule dintr-un mamifer pot fi urmărite retrospectiv cu o precizie care părea imposibilă în urmă cu doar câțiva ani. În loc să privească permanent embrionul la microscop, oamenii de știință îl pot face, practic, să-și scrie singur propria istorie în ADN.

Jesse Eisenberg explică de ce a refuzat să mai fie Mark Zuckerberg. Ce spune despre „The Social Reckoning”, continuarea „The Social Network”