Una nueva técnica llamada sci-Space, combinada con datos de otras tecnologías, podría conducir a atlas de cuatro dimensiones de expresión génica en diversas células durante el desarrollo embrionario de mamíferos.
Dichos atlas mapearían cómo las transcripciones de genes en células individuales reflejan el paso del tiempo, los linajes celulares, la migración celular y la ubicación en el embrión en desarrollo. También ayudarían a iluminar la regulación espacial de la expresión génica.
El desarrollo embrionario de mamíferos es un fenómeno notable: un óvulo fertilizado se divide repetidamente y se convierte, en cuestión de semanas o meses, en un organismo complejo capaz de una miríada de procesos fisiológicos y compuesto por una variedad de células, tejidos, órganos, anatomíaestructuras.
Una mejor comprensión de cómo se forman los mamíferos antes del nacimiento, en particular los patrones espaciales prenatales de expresión génica a nivel unicelular durante el desarrollo embrionario, podría promover la investigación biomédica y veterinaria en una variedad de afecciones. Estas van desde trastornos hereditarios hastamalformaciones congénitas y retrasos en el desarrollo. Comprender cómo se originan los órganos también podría ayudar a futuros esfuerzos de medicina regenerativa.
Un equipo internacional dirigido por científicos de UW Medicine, el Instituto Médico Howard Hughes y el Instituto Brotman Baty de Medicina de Precisión en Seattle demostró la prueba de concepto de su técnica de ciencia espacial en embriones de ratón.
Sus resultados se publican en la edición del 2 de julio de Ciencia. Los autores principales son Sanjay R. Srivatsan del Departamento de Ciencias del Genoma de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y Mary C. Regier del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Washington.
Los autores principales son Jay Shendure, profesor de ciencias del genoma de Medicina de la UW y director del Instituto Brotman Baty, e investigador del Allan Discovery Center for Cell Lineage Tracing; Kelly R. Stevens, profesora asistente de bioingeniería de la UW; y ColeTrapnell, profesor asociado de ciencias del genoma. Regier y Stevens también son investigadores del Instituto de Medicina de la Universidad de Washington para la Investigación de Células Madre y Medicina Regenerativa.
Los investigadores observaron la orquestación de genes en 120.000 núcleos celulares. Todas las células somáticas del cuerpo contienen el mismo código de ADN. Los investigadores capturaron información sobre qué genes se activaron o desactivaron en estos núcleos a medida que tomaban forma los embriones de ratón. Los científicos también investigaroncómo las ubicaciones de las células en un embrión afectaron qué genes se activaron durante el desarrollo.
Esta técnica se basa en trabajos anteriores en los que estos científicos y otros grupos desarrollaron formas de realizar perfiles de expresión génica y accesibilidad del código de ADN de todo el organismo, en miles de células individuales, durante el desarrollo embrionario. Lo hicieron para rastrear la emergencia ytrayectoria de varios tipos de células.
La forma en que las células están organizadas espacialmente, las posiciones físicas que adoptan cuando se forma un embrión, es fundamental para el desarrollo normal. Las ubicaciones incorrectas, las interrupciones o las células que no se muestran en el momento adecuado en el lugar correcto pueden causar problemas graves o incluso la muerte prenatal.
Sin embargo, adquirir conocimientos sobre los patrones espaciales de expresión génica ha sido técnicamente difícil. Ha sido difícil de manejar analizar las transcripciones de genes de células individuales en amplias franjas del embrión. Esto limitó la comprensión científica de cómo la organización espacial influye en la expresión génica y, en consecuencia,, por qué qué tipos de células se forman dónde, o cómo los grupos vecinos de células influyen en los roles futuros de cada uno.
Los científicos del presente estudio habían desarrollado anteriormente un método para etiquetar núcleos celulares, una técnica que llamaron sci-Plex. Luego pasaron a indexar la secuenciación de ARN de una sola célula, con un método llamado secuenciación de sci-RNA.
Ahora, con sci-Space, al analizar las coordenadas espaciales y las transcripciones de genes celulares, los científicos identificaron miles de genes cuya expresión estaba estructurada anatómicamente. Por ejemplo, ciertos perfiles genéticos surgieron en neuronas del cerebro y la médula espinal y otros en las células del músculo cardíaco.en el corazón.
Los científicos también utilizaron información espacial y de perfil genético para anotar subtipos de células. Por ejemplo, mientras que tanto las células de los vasos sanguíneos como el músculo cardíaco pueden expresar el gen de un factor de crecimiento en particular, solo las células del músculo cardíaco producen ciertos receptores del factor de crecimiento.
Los investigadores también observaron que los tipos de células variaban mucho en la extensión de su patrón espacial de expresión génica. Por ejemplo, las células progenitoras del tejido conectivo mostraron una proporción relativamente grande de expresión génica espacialmente restringida. Esta observación sugiere que los subtipos de estas células se comportan ende una manera dependiente de la posición en todo el cuerpo.
Para medir el poder de la posición espacial en el perfil de transcripción genética de un tipo de célula, los investigadores también calcularon la distancia física entre las células y la distancia angular de sus perfiles de expresión genética.
"Para muchos tipos de células, a medida que aumentaba la distancia física entre las células, también lo hacía la distancia angular entre sus transcriptomas", anotaron los investigadores en su artículo. Sin embargo, agregaron que esta tendencia variaba considerablemente. Era más pronunciada en ciertos cerebrosy células de la médula espinal.
Los perfiles de transcripción genética de algunos otros tipos de células se vieron muy influenciados por su posición en el embrión en desarrollo. Entre estas se encuentran ciertas células del cartílago, que se convierten en parte del andamiaje de los huesos de la cabeza y la cara.
Los investigadores también estudiaron la dinámica de expresión génica que tuvo lugar como parte de la diferenciación y migración de las células cerebrales durante el desarrollo embrionario del ratón. Los investigadores examinaron cómo se distribuían anatómicamente varias trayectorias de células cerebrales. Los investigadores lo hicieron utilizando el Atlas del cerebro de referencia anatómica del Instituto Allen.como guía.
"Las células de cada trayectoria ocuparon abrumadoramente regiones cerebrales distintas", anotaron los investigadores. También observaron gradientes de madurez del desarrollo en diferentes regiones del cerebro. Estos gradientes revelaron patrones de migración tanto conocidos como nuevos.
En el futuro, los investigadores esperan que sci-Space se aplique más a las secciones en serie que abarcan todo el embrión del ratón y que cubren muchos puntos de tiempo.
La investigación informada recientemente fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Brotman Baty Institute, Paul G. Allen Frontiers Foundation y Washington Research Foundation.
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