16.10.2017

Составлена самая подробная карта экспрессии генов в эмбрионе дрозофилы

Секвенирование РНК из тысяч индивидуальных клеток позволило германским биологам составить самую детальную на сегодняшний день карту экспрессии генов в эмбрионе дрозофилы на стадии начала гаструляции. Карта довольно точно отражает экспрессию 6–8 тысяч генов в каждой клетке эмбриона. Она позволяет решать разнообразные исследовательские задачи: обнаруживать неизвестные ранее регуляторы развития, анализировать общие закономерности трехмерной организации эмбриона и эволюции онтогенеза. Работа представляет собой важный шаг на пути к решению главной задачи биологии развития — полному и исчерпывающему пониманию того, как генотип воплощается в фенотипе.

Ключевую роль в эмбриональном развитии играет дифференцировка клеток, в основе которой лежит включение разных наборов генов в разных клетках в ответ на определенные сигналы (см. Как клетки понимают, что одни должны стать волосами, другие — костями, третьи — мозгами и т. п.). Паттерны экспрессии генов — регуляторов развития создают пространственную разметку эмбриона, поэтапно рисуя на нем нечто вроде чертежа будущего организма (рис. 1).

Для дрозофилы Drosophila melanogaster, одного из самых изученных животных, уже известны пространственно-временные паттерны экспрессии десятков регуляторных генов. Это позволило в общих чертах разобраться в том, как формируются передний и задний концы тела, спинная и брюшная стороны, сегменты и органы (см. Михаил Никитин. Генные сети, управляющие строением тела животных). Но всё же картина остается неполной: изучены далеко не все гены, влияющие на развитие, а области их экспрессии картированы зачастую лишь приблизительно.

В идеале хотелось бы иметь точную информацию по экспрессии каждого гена в каждой клетке эмбриона на каждом этапе развития. Но возможно ли это? До сих пор такой уровень детализации был недостижим. Но наука не стоит на месте, и то, что казалось еще недавно недостижимой мечтой, вдруг становится реальностью.

В статье, опубликованной в журнале Science 13 октября, ученые из Центра Молекулярной Медицины Макса Дельбрюка (Max Delbruck Center for Molecular Medicine) в Берлине сообщили о создании самой детальной на сегодняшний день карты генной экспрессии эмбриона дрозофилы на этапе развития, предшествующем началу морфогенеза. В это время (так называемая стадия 6, см. Stage 6) эмбрион состоит примерно из 6000 клеток, еще не имеет видимых морфологических структур и только приступает к гаструляции.

Авторы сделали всё возможное, чтобы включить в анализ максимальное число генов (причем не только белок-кодирующих, но и генов регуляторных РНК) и чтобы добиться максимального пространственного разрешения, картировав экспрессию в каждой клетке эмбриона по отдельности. Для этого они воспользовались недавно изобретенной технологией Drop-Seq, основанной на помещении клеток в крошечные капельки воды, мечении РНК в каждой капле особой меткой и последующем тотальном секвенировании РНК (см. E. Z. Macosko et al., 2015. Highly parallel genome-wide expression profiling of individual cells using nanoliter droplets). Метод Drop-Seq позволяет одновременно измерить в каждой клетке экспрессию нескольких тысяч генов. Индивидуальные метки дают возможность понять, какие из отсеквенированных молекул РНК происходят из одной и той же, а какие — из разных клеток.

Авторам удалось с высокой точностью измерить экспрессию генов примерно в 1300 клетках эмбрионов дрозофилы на стадии 6. Для каждой клетки уровень экспрессии был надежно определен в среднем для 3100 генов.

Предварительный анализ полученных данных показал, что профили экспрессии в разных клетках эмбриона различаются очень сильно: свой уникальный профиль имеет чуть ли не каждая клетка. Это значит, что составление карты экспрессии с максимальным, то есть клеточным уровнем разрешения не блажь, а правильный и необходимый шаг на пути к пониманию механизмов развития.

К сожалению, метод Drop-Seq требует предварительного разделения эмбриона на отдельные клетки. При этом информация о том, из какой части эмбриона происходит та или иная клетка, теряется, и ее нужно потом как-то восстановить. В этом и состояла главная методологическая трудность, которую авторы должны были преодолеть. Для этого они использовали ту информацию по паттернам экспрессии отдельных генов, которая была получена ранее. В частности, в рамках проекта Berkeley Drosophila Transcription Network Project (BDTNP) была с большой точностью картирована экспрессия 84 генов — регуляторов развития (C. C. Fowlkes et al., 2008. A Quantitative Spatiotemporal Atlas of Gene Expression in the Drosophila Blastoderm). Проанализировав эти данные и сопоставив их с результатами Drop-Seq, авторы пришли к выводу, что, зная уровень экспрессии каждого из 84 генов в анализируемой клетке, можно довольно точно (с точностью до нескольких клеточных диаметров) определить, из какого места эмбриона происходит клетка.

Таким образом, каждая клетка была надежно «привязана» к определенному, очень небольшому участку эмбриона. Поскольку к каждому такому участку была привязана не одна, а несколько клеток, в каждой из которых был измерен уровень экспрессии в среднем 3100 генов (причем наборы генов с измеренной экспрессией были разными для разных клеток), то для каждого участка удалось в конечном счете оценить экспрессию 6–8 тысяч генов.

В результате получилась самая детальная на сегодняшний день трехмерная карта экспрессии генов в эмбрионе дрозофилы на стадии начала гаструляции. Карта представлена в виде интерактивной системы Drosophila Virtual Expression eXplorer (DVEX), которая для любого выбранного гена может показать паттерн экспрессии.

Авторы сравнивали изображения, нарисованные их программой, с реальными паттернами экспрессии отдельных генов, полученными классическим способом — при помощи гибридизации in situ. Сравнение показало, что карта получилась довольно точная (рис. 2).

Значение этой работы в том, что специалисты по биологии развития получили новый мощный инструмент для решения разнообразных научных задач. В заключительной части статьи авторы показали несколько возможных направлений, где их детище может найти применение.

Например, можно искать общие закономерности в разнообразии рисунков экспрессии различных генов. Это прольет свет на базовые принципы пространственной организации эмбриона. Авторы попытались классифицировать паттерны экспрессии изученных генов, построив для них дендрограмму сходства (рис. 3). Оказалось, что разнообразие рисунков экспрессии распадается на 10 кластеров, для каждого из которых можно составить обобщенный «архетипический» рисунок экспрессии. Подобные сведения важны для расшифровки регуляторных генных сетей: например, логично предположить, что гены, относящиеся к одному кластеру, имеют сходную систему регуляции, то есть похожим образом реагируют на те или иные сигналы.

Кроме того, подробная карта генной экспрессии может быть использована для обнаружения новых регуляторов развития. Один из примеров показан на рис. 2 справа внизу. Длинная некодирующая РНК CR43432, экспрессия которой ранее не картировалась и чья функция неизвестна, экспрессируется, как выяснилось, там и только там, где не экспрессируются важнейшие гены, контролирующие развитие нейроэктодермы, такие как SoxN. Это значит, что CR43432 с большой вероятностью является регулятором эмбрионального развития: возможно, она ограничивает распространение нейроэктодермы или влияет на развитие клеток, избравших не-нейроэктодермальную судьбу.

Имея точную карту экспрессии, можно проследить, в каких участках эмбриона производятся те или иные сигнальные вещества, и догадаться, для каких участков предназначены эти сигналы. Кроме того, карта поможет в изучении эволюции онтогенеза. Авторы проиллюстрировали эту возможность, построив для другого вида дрозофил, D. virilis, менее детальную карту экспрессии генов на той же стадии развития и обнаружив несколько контрастных отличий от D. melanogaster.

Работа представляет собой важный шаг на пути к решению главной задачи биологии развития, которая состоит в том, чтобы понять, каким образом наследственная информация воплощается в фенотипе. Причем понять не в общих чертах (для дрозофилы это уже, можно сказать, сделано), а во всех подробностях. Обладание полной информацией о том, как регулируется и на что влияет работа каждого гена в ходе онтогенеза, откроет перед человечеством небывалые возможности, вплоть до проектирования искусственных организмов с любыми желаемыми свойствами.

Подготовлено по материалам: Nikos Karaiskos, Philipp Wahle, Jonathan Alles, Anastasiya Boltengagen, Salah Ayoub, Claudia Kipar, Christine Kocks, Nikolaus Rajewsky and Robert P. Zinzen. The Drosophila embryo at single-cell transcriptome resolution // Science. 2017. V. 358. P. 194–199. DOI: 10.1126/science.aan3235.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru