Dve raziskovalni skupini sta v zadnjih dneh objavili svoje rezultate v revijah Science in Cell. Ena ekipa je razvoj dva tedna starega zarodka iz oplojene jajčne celice, od celice do celice, posnela, druga pa je večino celičnih delitev, do katerih pride med nastajanjem organov v zarodkih, spremljala.
Obe študiji je navdihnila prelomna raziskava izpred začetka osemdesetih let: prvi – in vse do danes edini – popoln zemljevid razvoja živali. Britanski biolog John Sulston je izključno z mikroskopom opazoval prav vsako celico ogorčice Caenorhabditis elegans, medtem ko se je žival iz ene same jajčne celice razvila v odraslo, in sicer s točno 959 somatskimi, torej povsem diferenciranimi celicami.
Pri večini drugih živali, zlasti pri sesalcih, celične linije na ta način ni mogoče spremljati, pravi Jay Shendure, genomski raziskovalec z Univerze v Washingtonu in vodja ene od novih raziskav. C. elegans je prozorna, vsaka ogorčica pa se razvija popolnoma enako: istih 959 celic sledi nespremenljivemu vzorcu celičnih delitev. Pri sesalcih, kakršne so miši – pri katerih je razvoj skrit, število celic pa gre v milijarde –, na usodo celic, na primer na to, ali bodo na koncu končale v pljučih ali jetrih, vplivajo zunanji signali, kot so rastni faktorji.
Shendure pravi, da je eno ključnih vprašanj biologije, kako lahko ta naključnost ustvari osebke ene vrste, ki so približno enake oblike. »Dvojčka izgledata enako, tudi drugi ljudje so si približno podobni, čeprav se tudi dvojčka razvijeta skozi zelo različne procese celičnih delitev,« pravi strokovnjak.
Shendure se je s tem vprašanjem prvič ukvarjal okoli leta 2016, ko je s svojo ekipo razvil metodo, ki temelji na tehnologiji urejanja genov CRISPR in je v celice razvijajočih se cebric vnašala »črtne kode« – torej urejanja genov na določenih mestih. Ekipa je nato z zaporedjem DNK preverila, katere črtne kode so bile prisotne v različnih celicah, in iz tega sklepala o povezavah med celicami.
Toda ti »zapisi izvora« na osnovi CRISPR lahko celice poškodujejo, če med razvojem na njih nastane preveč sprememb, pravi Jonathan Weissman, molekularni biolog z Inštituta Whitehead, ki je vodil drugo ekipo. Da bi te težave odpravili, sta ekipi pod vodstvom Shendureja in Weissmana za vnašanje sprememb uporabili natančnejšo in manj škodljivo tehniko, imenovano »prime editing«, medtem ko so se celice med razvojem zarodka delile.
Shendurejeva ekipa je vzela oplojeno mišjo jajčno celico in na njej uporabila tehniko z imenom »pisalni stroj za DNK«, ki med celičnimi delitvami na določenih mestih genoma zaporedoma postavlja neizbrisljive genetske oznake. Jajčno celico so nato vsadili v miš. Po dveh tednih, ko je zarodek že oblikoval glavne organske sisteme, so raziskovalci prebrali spremembe, ki jih je opravil »pisalni stroj za DNK«, in uspeli rekonstruirati povezave med 1,3 milijona spremenjenih celic – kar je približno 10 % vseh celic zarodka.
Weissmanova ekipa je podobno metodo, imenovano »PE-sledenje«, razvila na gensko spremenjenih mišjih zarodnih matičnih celicah; z uporabo prime editinga ta beleži posamezne celične delitve. Raziskovalci so analizirali mišje zarodke, pridobljene iz teh celic, medtem ko je zarodek iz celične gruče napredoval do stadija, ko se je začelo oblikovanje organov. Pri 14 zarodkih so ponazorili povezave med več kot 1,4 milijona celicami.
Obe ekipi sta določili tudi identiteto celic zarodkov – na primer, ali gre za možganske ali kostne predhodnice – s spremljanjem transkriptov mRNK, da bi ocenili, kateri geni so bili v njih aktivni. Na podlagi teh informacij je Shendurejeva ekipa pokazala, da sta prvi dve hčerinski celici – nastali po prvi delitvi jajčne celice – sledili podobni poti in prispevali k istim vrstam celic. Weissmanova ekipa pa je ugotovila, da v vsakem mišjem zarodku možgane oblikuje le nekaj sto živčnih predhodnih celic. To nakazuje, da razvoj sledi presenetljivo ponovljivi poti, pravi William Colgan, računski biolog z Inštituta Whitehead in soavtor študije v reviji Cell.
