Két kutatócsoport is a napokban publikálta vonatkozó eredményeit a Science, illetve a Cell folyóiratokban. Az egyik csapat egy megtermékenyített petesejtből származó, két hetes embrió sejtről sejtre történő fejlődését rögzítette, a másik pedig az embriókban a szervek kialakulása során bekövetkező sejtosztódások nagy részét követte nyomon.
Mindkét tanulmányt egy, az 1980-as évek elején végzett, mérföldkőnek számító kutatás ihlette: az állati fejlődés első – és mindmáig egyetlen – teljes térképe. John Sulston brit biológus kizárólag egy mikroszkóp segítségével megfigyelte a Caenorhabditis elegans fonalféreg minden egyes sejtjét, miközben az állat egyetlen petesejtből felnőtté fejlődött, pontosan 959 szomatikus, vagyis teljesen differenciálódott sejttel.
A legtöbb más állat, különösen az emlősök esetében nem lehetséges ilyen módon nyomon követni a sejtvonalat, mondja Jay Shendure, a Washington Egyetem genomkutatója, az egyik új kutatás vezetője. A C. elegans átlátszó, és minden egyes féreg pontosan ugyanúgy fejlődik: ugyanaz a 959 sejt követi a sejtosztódások változatlan mintázatát. Az olyan emlősöknél azonban, mint az egerek – amelyeknél a fejlődés rejtett, és a sejtek száma milliárdokra rúg –, külső jelek, például a növekedési faktorok befolyásolják a sejtek sorsát, például azt, hogy végül azok tüdőbe vagy a májba kerülnek-e.
Shendure elmondása szerint a biológia egyik kulcsfontosságú kérdése az, hogy ez a véletlenszerűség hogyan hozhat létre egy fajhoz tartozó egyedeket, amelyek nagyjából azonos alakúak. „Az ikrek ugyanúgy néznek ki, a többi ember is nagyjából hasonló, pedig az ikrek is nagyon különböző sejtosztódási folyamatok során fejlődnek ki” – mondja a szakértő.
Shendure először 2016 körül foglalkozott ezzel a kérdéssel, amikor csapatával kifejlesztett egy, a CRISPR génszerkesztő technológián alapuló módszert, amely „vonalkódokat” – azaz meghatározott helyeken végzett génszerkesztéseket – juttatott a fejlődő zebradániók sejtjeibe. A csapat ezután DNS-szekvenálással ellenőrizte, mely vonalkódok voltak jelen a különböző sejtekben, és ebből következtetett a sejtek közötti kapcsolatokra.
De ezek a CRISPR-alapú „származási rekordok” károsíthatják a sejteket, ha a fejlődés során túl sok módosítás esik rajtuk, mondja Jonathan Weissman, a Whitehead Intézet molekuláris biológusa, aki a másik csapatot vezette. Ezeknek a problémáknak a kiküszöbölésére a Shendure és Weissman által vezetett csapatok egy pontosabb és kevésbé káros technikát, az úgynevezett „prime editálást” alkalmazták a módosítások beépítésére, miközben a sejtek az embrió fejlődése során osztódtak.
Shendure csapata vett egy megtermékenyített egér petesejtet, és alkalmazta ezen a „DNS-írógép” névre keresztelt technikát, amely a sejtek osztódása során egymást követő, kitörölhetetlen genetikai jelöléseket helyez el a genom meghatározott pontjain. A petesejtet ezután beültették egy egérbe. Két hét elteltével, amikor az embrió már kialakította a főbb szervrendszereket, a kutatók leolvasták a „DNS-írógép” által végzett módosításokat, és képesek voltak rekonstruálni 1,3 millió módosított sejt – az embrió teljes sejtszámának körülbelül 10%-a – közötti kapcsolatokat.
Weissman csapata egy hasonló módszert fejlesztett ki génmódosított egér embrionális őssejtekben, amelyet „PE-nyomkövetésnek” neveztek el, és amely a prime editálás segítségével rögzíti az egyes sejtosztódásokat. A kutatók elemezték az ezekből a sejtekből előállított egérembriókat, miközben az embrió a sejtcsomóból abba a stádiumba jutott, amikor megkezdődött a szervek kialakulása. 14 embrióban több mint 1,4 millió sejt közötti kapcsolatot térképeztek fel.
Mindkét csapat meghatározta az embriók sejtjeinek identitását is – például, hogy agy- vagy csontelősejtek-e – azáltal, hogy figyelték az mRNS-transzkriptumokat, hogy felmérjék, mely gének voltak aktívak bennük. Ezen információk alapján Shendure csapata kimutatta, hogy az első két leánysejt – amelyek a petesejt első osztódása után keletkeztek – hasonló pályát követett, és ugyanazokhoz a sejttípusokhoz járultak hozzá. Weissman csapata pedig azt állapította meg, hogy minden egérembrióban csupán néhány száz idegi elősejt alakítja ki az agyat. Ez arra utal, hogy a fejlődés meglepően reprodukálható útvonalat követ, mondja William Colgan, a Whitehead Intézet komputációs biológusa és a Cell-tanulmány társszerzője.
