Πώς ένα μόνο γονιμοποιημένο ωάριο παράγει όλα τα κύτταρα στο σώμα ενός θηλαστικού; Αυτό το ερώτημα βασανίζει την επιστήμη εδώ και δεκαετίες και είναι κρίσιμο για την κατανόηση του πώς ασθένειες όπως ο καρκίνος εξαπλώνονται στο σώμα.
Μια νέα μελέτη στο περιοδικό Science, με επικεφαλής ερευνητές από το Seattle Hub for Synthetic Biology (Seattle Hub) - το οποίο αποτελείται από το Ινστιτούτο Allen , το UW Medicine και το Biohub - μας φέρνει πιο κοντά στην απάντηση.
Οι ερευνητές δημιούργησαν με επιτυχία ένα χρονικά βαθμονομημένο γενεαλογικό δέντρο που δείχνει πώς ένα μεμονωμένο κύτταρο μετατράπηκε σε 1,28 εκατομμύρια - περίπου το 10% των κυττάρων σε ένα έμβρυο ποντικού δύο εβδομάδων. Αυτό είναι μακράν το μεγαλύτερο κυτταρικό γενεαλογικό δέντρο που έχει δημιουργηθεί ποτέ για θηλαστικό.
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ
Η τεχνολογία που καταγράφει την ιστορία κάθε κυττάρου
Για να ανασυνθέσουν τη διαδρομή των κυττάρων, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια καινοτόμο τεχνολογία με την ονομασία DNA Typewriter. Πρόκειται για ένα σύστημα που εισάγει διαδοχικές γενετικές «σφραγίδες» στο DNA των κυττάρων, καθώς αυτά διαιρούνται.
Οι «σφραγίδες» αυτές μεταφέρονται στα θυγατρικά κύτταρα και καταγράφονται με συγκεκριμένη σειρά, λειτουργώντας σαν ένα είδος βιολογικού ημερολογίου. Με την ανάλυσή τους, οι ερευνητές μπορούν να ανασυνθέσουν τις κυτταρικές διαιρέσεις και να εντοπίσουν ποια κύτταρα προήλθαν από ποια αρχικά κύτταρα.
Στο πλαίσιο του πειράματος, το σύστημα DNA Typewriter εφαρμόστηκε σε ένα γονιμοποιημένο ωάριο ποντικού. Στη συνέχεια, το έμβρυο αφέθηκε να αναπτυχθεί για 13,5 ημέρες, δηλαδή περίπου για τα 2/3 της συνολικής διάρκειας της κύησης του ποντικού.
Οι επιστήμονες μέτρησαν τα γενετικά σημάδια στους πυρήνες 1,58 εκατομμυρίων κυττάρων και αξιοποίησαν τα δεδομένα για να δημιουργήσουν έναν λεπτομερή χάρτη της κυτταρικής καταγωγής.
Το αποτέλεσμα ήταν ένα εκτεταμένο γενεαλογικό δέντρο, το οποίο αποτυπώνει τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα προέρχονται από τις πρώτες διαιρέσεις του γονιμοποιημένου ωαρίου και συμμετέχουν στη διαμόρφωση του αναπτυσσόμενου οργανισμού.
Δύο αρχικές κυτταρικές γραμμές με διαφορετική συμβολή
Ένα από τα ευρήματα που ξεχώρισαν ήταν η αποτελεσματικότητα με την οποία καταγράφηκαν γενετικά σημάδια ήδη από την πρώτη κυτταρική διαίρεση. Όπως ανέφερε ο Χεντόνγκ Κιμ, ένας από τους δύο πρώτους συγγραφείς της μελέτης, η διαδικασία παρείχε δύο ανεξάρτητα σύνολα δεδομένων μέσα στο ίδιο έμβρυο, επιτρέποντας στους ερευνητές να διασταυρώσουν τα αποτελέσματά τους.
Η ανάλυση αποκάλυψε ότι τα δύο κύτταρα που προέκυψαν από την πρώτη διαίρεση του γονιμοποιημένου ωαρίου ακολούθησαν διαφορετικές αναπτυξιακές διαδρομές. Οι δύο κυτταρικές γραμμές συνέβαλαν σε διαφορετικό ποσοστό στον συνολικό αριθμό των κυττάρων του εμβρύου: περίπου 57% η μία και 42% η άλλη.
Παρά τη διαφορά αυτή, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι δύο γραμμές συνεισέφεραν σε παρόμοια αναλογία στους διαφορετικούς κυτταρικούς τύπους του οργανισμού. Το εύρημα προσφέρει νέα στοιχεία για το πώς οι πρώτες κυτταρικές διαιρέσεις επηρεάζουν την ανάπτυξη και την τελική οργάνωση ενός θηλαστικού.
Πώς μπορεί η ανακάλυψη να βοηθήσει στην κατανόηση του καρκίνου
Η σημασία της έρευνας δεν περιορίζεται στη βασική βιολογία. Η δυνατότητα παρακολούθησης της πορείας των κυττάρων κατά την ανάπτυξη θα μπορούσε να συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση συγγενών ανωμαλιών, γενετικών διαταραχών και ασθενειών όπως ο καρκίνος. Γνωρίζοντας το πώς εξελίσσεται φυσιολογικά ένα κύτταρο και πώς εντάσσεται στους ιστούς ενός οργανισμού, οι επιστήμονες αποκτούν ένα σημείο αναφοράς για να εντοπίσουν πότε και σε ποιο στάδιο η κυτταρική ανάπτυξη αποκλίνει από τη φυσιολογική πορεία.
Η γνώση αυτή θα μπορούσε μελλοντικά να βοηθήσει στον εντοπισμό των μηχανισμών που οδηγούν σε αναπτυξιακές ανωμαλίες, καθώς και στη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο τα καρκινικά κύτταρα πολλαπλασιάζονται και εξαπλώνονται.
Παράλληλα, η τεχνολογία DNA Typewriter ενδέχεται να αξιοποιηθεί στη μελέτη των θεραπειών με βλαστοκύτταρα, αλλά και στην κατανόηση των αλλαγών που προκαλεί η γήρανση στα κύτταρα διαφορετικών οργάνων. Ωστόσο, οι πιθανές αυτές εφαρμογές αποτελούν προοπτικές για μελλοντική έρευνα και δεν συνιστούν ακόμη αποδεδειγμένες κλινικές εφαρμογές της συγκεκριμένης μεθόδου.
Ένα βήμα προς την πλήρη χαρτογράφηση της ανάπτυξης των θηλαστικών
Ο Τζέι Σέντουρ, επιστημονικός διευθυντής του Seattle Hub for Synthetic Biology και καθηγητής Γονιδιωματικής στο UW Medicine, χαρακτήρισε το επίτευγμα σημαντικό βήμα προς τον στόχο της ολοκληρωμένης χαρτογράφησης της ανάπτυξης των θηλαστικών.
Όπως υπογράμμισε, όλοι οι κυτταρικοί τύποι έχουν τις ρίζες τους στην εμβρυϊκή ανάπτυξη και η δημιουργία τέτοιων χαρτών θα μπορούσε να προσφέρει νέες πληροφορίες για χιλιάδες γενετικές διαταραχές που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας.
Ένα ακόμη σημαντικό στοιχείο της μελέτης είναι ότι οι ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν και να αποκωδικοποιήσουν ένα εκτεταμένο ιστορικό κυτταρικών διαιρέσεων μέσα σε ένα μόνο πείραμα.
Το γενεαλογικό δέντρο που προέκυψε είναι ανοικτής πρόσβασης, ενώ συνοδεύεται από το διαδραστικό εργαλείο NextCell, μέσω του οποίου οι ενδιαφερόμενοι μπορούν να εξερευνήσουν την κυτταρική ανάπτυξη του ποντικού.
Η νέα προσέγγιση δεν απαντά ακόμη σε όλα τα ερωτήματα για το πώς διαμορφώνεται ένας οργανισμός. Αποδεικνύει, όμως, ότι η λεπτομερής ανασύνθεση της ιστορίας εκατομμυρίων κυττάρων είναι πλέον εφικτή, δημιουργώντας νέες δυνατότητες για τη μελέτη της ανάπτυξης και των ασθενειών που σχετίζονται με αυτήν.
