Riesige Datenbank mit Spuren säugetier-Entwicklung der Organe, Zelle für Zelle: die Größte single-cell-Datenbank Ihrer Art wirft Licht auf frühen Maus-Entwicklung, legt Grundlagen für das Verständnis der Entwicklungs-Erkrankungen

Den sehr frühen Tagen des Wachstums, lange bevor wir geboren werden, sind eine Zeit der unglaublichen Entwicklung. In einem relativ kurzen Zeitraum von Zeit, die wir und andere Säugetiere, erstellen unsere Körper “ Dutzende von verschiedenen Organen aus ein paar dünne Schichten von Zellen. In Mäusen, dass die Frist nur vier Tage lang. In den Menschen ist, ist es abgeschlossen, bevor das Ende des ersten Trimesters der Schwangerschaft.

Nun, eine neue Studie von Forschern an der Allen Discovery Center an UW-Medizin hat zurückverfolgt, die wichtige Periode der organbildung, Zelle für Zelle, in der sich entwickelnden Maus. Heute veröffentlicht in der Zeitschrift Natur, die Studie ist die mit Abstand den grössten Datensatz, der von seiner Art bisher.

Die Studie erfasst die Gene, die die Schalter ein-und ausschalten über 2 Millionen verschiedene Zellen, wie Sie gehen von durchschnittlich zellulären Vorstufen zu den Tieren‘ Magen, Muskeln, Gehirn, Haut und alles dazwischen.

Zu verstehen, wie wir wachsen von einer Zelle in die Tausende von verschiedenen Arten von Zellen, die alle angeschlossen und funktionieren zusammen, um unsere Erwachsenen Körper, ist essentiell, um nicht nur ein Verständnis der menschlichen Biologie, aber viel vom Leben selbst, sagt Jay Shendure, M. D., Ph. D., senior-Autor der Studie und Leiter des Allen Discovery Center.

„Jeder von uns kam aus einer einzelnen Zelle-nicht nur jeder Mensch, sondern jedes vielzelligen Organismus auf dem Planeten. Diese Zell-Linien führen uns immer funktionierenden Organismen, sondern auch das, was uns verbindet“, sagte Shendure, der auch ein Forscher des Howard Hughes Medical Institute und Professor für Genom-Wissenschaften an der Universität von Washington. „Große Teilmengen der Baum des Lebens teilen diese Allgemeinen Entwicklungs-Programm.“

Entwicklung ist auch bei der Gründung von vielen menschlichen Krankheiten, auch diejenigen, die nicht manifestieren sich erst viel später im Leben.

„Nicht nur Entwicklungs-Erkrankungen, aber Myriaden von häufigen Erkrankungen des Erwachsenenalters haben einige root in Prozesse der Entwicklung, und wir verstehen einfach nicht, diese Dinge gut genug,“ Shendure sagte.

Verständnis unser genetisches Programm

Die Studie stützte sich auf eine neue Technik entwickelt, durch das Junyue Cao, ein UW-Doktorand arbeiten in Allen Discovery Center und co-lead-Autor auf dem Papier, für die Messung, wie Gene ein-und ausgeschaltet, auch bekannt als die expression der gene, die aus einzelnen Zellen, die über alle Teile der Tiere “ Einrichtungen und die verschiedenen Phasen der Entwicklung. Die Forscher bezeichneten die Ausgabe der einzelnen Zelle die Gene, die einen eindeutigen Satz von drei molekularen barcodes, die dann in der gleichen Zeit wie der rest der Zelle-gen-expression-Daten.

Das triple-Kennzeichnung bedeutet, können die Forscher mischen viele Zellen zusammen in einem Reagenzglas zu erfassen, Ihre Genexpression und noch trace diese gen-Produkte, die wieder zu einer einzigen Zelle, die Dank Ihrer individuellen barcodes. Es ist der Grund, warum Cao laufen konnte diesem zwei-Millionen-Zelle experiment, in unter zwei Wochen, aber die Entwicklung der Technik selbst dauerte fast ein Jahr — ebenso wie die Analyse der resultierenden Stapel von Daten.

Cao, zusammen mit Malte Spielmann, Ph. D., ein ehemaliger UW postdoctoral fellow, co-erste Autor auf dem Papier und jetzt Fakultät am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik, verwendet diese Methode zur Untersuchung der Genexpression einzelner Zellen von 61 lab-Maus-Embryonen verschiedenen Alters über das vier-Tage-Fenster der Entwicklung. Ihre Analyse nicht zu erfassen, die jede einzelne Zelle in diesen Embryonen, sondern aus der Forscher schätzt, dass Sie ziemlich nah dran in einigen Entwicklungsstadien. Sie waren in der Lage, die Studie etwa 80 Prozent der Zellen, die in den frühesten Embryonen und zwischen 3 und 20 Prozent in der etwas älteren Embryonen.

Diese Arbeit ist sehr Verschieden von der klassischen Methoden zur Untersuchung der Entwicklungsbiologie, in dem Forscher mutieren würde ein einzelnes gen oder wenige Gene und sehen, welche Strukturen geändert in der resultierenden Entwicklung der Tiere.

„Dieser Ansatz gibt Ihnen nur einen Einblick in das zugrunde liegende genetische Architektur der Entwicklung,“, sagte Cole Trapnell, Ph. D., ein Assistent Professor für Genom-Wissenschaften an der UW und ein Mitglied des Allen Discovery Center an UW-Medizin. Trapnell war auch ein senior-Autor auf der Studie. „Wenn Sie konnte sehen, den gesamten Prozess zu entfalten und unglaublich hohen Auflösung und wenden Sie dann hoch entwickelten computer-algorithmen, um die Daten zu organisieren, Sie könnten in der Lage sein, um die Karte viel größere Stücke der genetischen Programm, dass die Kontrolle der Entwicklung“, sagte er.

Diese Studie ist nicht ganz auf diesem Punkt noch. Die Forscher nicht verfolgen-Zellen in dem gleichen Tier, wie Sie sich entwickelt, obwohl diese Art von lineage tracing ist eines Ihrer langfristigen Ziele. Aber es ist ein Schritt auf diesem Weg und konnte immer noch Ertrag wertvolle Informationen über die Biologie der Entwicklung, die Forscher sagte.

In Ihrer Studie, Sie vertiefte sich in ein paar wichtige Arten von Entwicklung, nämlich die Bildung der Gliedmaßen und der Skelettmuskulatur, zwei Allgemeine Prozesse sind sehr ähnlich wie bei Mäusen und Menschen. Die Forscher fanden Hunderte von Genen ein-und ausschalten in kurzen Zeiträumen in die spezifischen Zellen, die das Laufwerk leg Entwicklung, Gene, die noch nicht verbunden worden, um diese Zellen in früheren Studien. Sie wissen noch nicht, was diese Gene tun, und es gibt viel mehr noch zu entdecken in diesem dataset, sagte Sie.

„Es wird eine ganze Gemeinschaft von Forschern, die Jahre zu betrachten, diese Daten bis zu dem Punkt, wo wir das Gefühl, wir haben erschöpft,“ Trapnell sagte. „Wir sind eigentlich nur an der Oberfläche kratzen von dem, was diese Daten bedeuten für das Feld.“