גישות חד-תאיות ולמידה עמוקה למיפוי כל שלבי התפתחות עוברי זבוב הפירות

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


מדענים בנו את המפה החד-תאית השלמה והמפורטת ביותר של התפתחות עוברים בכל חיה עד כה, תוך שימוש בזבוב הפירות כדגם אורגניזם.

פורסם ב מַדָעמחקר זה, בהנחיית איילין פורלונג ב-EMBL וג'יי שנדר באוניברסיטת וושינגטון, רותם נתונים מלמעלה ממיליון תאים עובריים המשתרעים על כל שלבי התפתחות העובר ומייצג התקדמות משמעותית במספר רמות. המחקר הבסיסי הזה מסייע גם ליכולת של מדענים לחפש שאלות כמו כיצד מוטציות מובילות לפגמים התפתחותיים שונים. בנוסף, הוא מספק נתיב להבין את החלק העצום הלא-מקודד של הגנום שלנו שמכיל את רוב המוטציות הקשורות למחלה.

"רק לכידת מכלול העובריות – כל השלבים וכל סוגי התאים – כדי לקבל תצוגה מלאה יותר של מצבי התא והשינויים המולקולריים הנלווים להתפתחות היא הישג בפני עצמו", אמרה איילין פורלונג, ראש הגנום של EMBL היחידה לביולוגיה. "אבל מה שאני באמת מתלהב ממנו הוא השימוש בלמידה עמוקה כדי לקבל מבט מתמשך על השינויים המולקולריים המניעים את ההתפתחות העוברית – עד לרגע."

ההתפתחות העוברית מתחילה בהפריה של ביצית, ולאחריה סדרה של חלוקות והחלטות של תאים המולידות עובר רב-תאי מורכב מאוד שיכול לנוע, לאכול, לחוש ולקיים אינטראקציה עם סביבתו. חוקרים חוקרים את התהליך הזה של התפתחות עוברית כבר למעלה ממאה שנים, אך רק בעשור האחרון אפשרו טכנולוגיות חדשות למדענים לזהות שינויים מולקולריים המלווים מעברי תאים ברמת תא בודד.

מחקרים חד-תאיים אלו עוררו התרגשות עצומה כשהם הדגימו את המורכבות של סוגי תאים ברקמות, אפילו זיהוי סוגי תאים חדשים, וחשפו את מסלולי ההתפתחות שלהם בנוסף לשינויים המולקולריים הבסיסיים. עם זאת, ניסיונות ליצור פרופיל של כל התפתחות העובר ברזולוציה של תא בודד לא היו בהישג יד עקב אתגרים טכניים רבים בדגימה, עלויות וטכנולוגיות.

בהקשר זה, זבוב הפירות (תסיסנית מלנוגסטר), לאורגניזם מודל מובהק בביולוגיה התפתחותית, ויסות גנים וביולוגיה של כרומטין, יש כמה יתרונות מרכזיים בכל הנוגע לפיתוח גישות חדשות להתמודדות עם זה. ההתפתחות העוברית של זבוב הפירות מתרחשת במהירות רבה; תוך 20 שעות בלבד לאחר ההפריה, כל הרקמות נוצרו, כולל המוח, המעי והלב, כך שהאורגניזם יכול לזחול ולאכול. זה, בשילוב עם התגליות הרבות שהתגלו בזבובי הפירות שהניעו את ההבנה כיצד הגנים והמוצרים שלהם פועלים, עודד את מעבדת Furlong ואת משתפי הפעולה שלהם לקחת על עצמם את האתגר הזה.

"המטרה שלנו הייתה להשיג תצוגה רציפה של כל שלבי העובר, ללכוד את כל הדינמיקה והשינויים ככל שעובר מתפתח, לא רק ברמת ה-RNA אלא גם במרכיבי הבקרה המווסתים את התהליך הזה", אמר מחבר שותף. Stefano Secchia, סטודנט לדוקטורט בקבוצת Furlong.

עבודה מקדימה עם 'משפרים'

בשנת 2018, קבוצות Furlong ו- Shendure הראו את ההיתכנות של יצירת פרופיל של כרומטין 'פתוח' ברזולוציה של תא בודד בעוברים וכיצד אזורי DNA אלה מייצגים לעתים קרובות משפרי התפתחות פעילים. 'משפרים' הם מקטעי DNA הפועלים כמתגי בקרה להפעלה וכיבוי של גנים. הנתונים הראו אילו סוגי תאים בעובר משתמשים באילו משפרים בנקודת זמן נתונה וכיצד שימוש זה משתנה לאורך זמן. מפה כזו חיונית כדי להבין מה מניע היבטים ספציפיים של התפתחות עוברית.

"ממש התרגשתי כשראיתי את התוצאות האלה", אמר פורלונג. "לעבור מעבר ל-RNA כדי להסתכל במעלה הזרם על המתגים הרגולטוריים האלה בתאים בודדים היה משהו שלא חשבתי שיהיה אפשרי במשך זמן רב."

מעבר ל'תצלומי מצב'

המחקר של 2018 היה עדכני באותה תקופה, וערך פרופיל של ~20,000 תאים בשלושה חלונות שונים של התפתחות העובר (בהתחלה, באמצע ובסוף). עם זאת, עבודה זו עדיין נתנה רק תמונות של המגוון הסלולרי והוויסות במהלך נקודות זמן נפרדות ספציפיות. לכן, הצוות בחן את הפוטנציאל של שימוש בדגימות מחלונות זמן חופפים, וכהוכחה לעיקרון, יישם את הרעיון על שושלת ספציפית אחת – השריר.

לאחר מכן, זה הנחה את הבמה להגדלה דרמטית באמצעות טכנולוגיה חדשה שפותחה במעבדת Shendure. העבודה הנוכחית של הצוות הציגה פרופיל של כרומטין פתוח מכמעט מיליון תאים ו-RNA מחצי מיליון תאים מנקודות זמן חופפות המשתרעות על כל התפתחות עוברי זבוב הפירות.

באמצעות סוג של למידת מכונה, החוקרים ניצלו את נקודות הזמן החופפות כדי לחזות זמן ברזולוציה עדינה הרבה יותר. מחבר שותף דייגו קלדרון, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדת Shendure, אימן רשת עצבית לחזות את זמן ההתפתחות המדויק של כל תא.

"למרות שהדגימות שנאספו הכילו עוברים בגילאים שונים במקצת בתוך חלון זמן של 2 או 4 שעות, שיטה זו מאפשרת לך להתקרב לכל חלק בציר הזמן של העובר הזה בקנה מידה של דקות", אמר קלדרון.

שנדרה הוסיפה, "הופתעתי כמה טוב זה עובד. יכולנו ללכוד שינויים מולקולריים המתרחשים במהירות רבה בזמן, בדקות, שחוקרים קודמים חשפו על ידי בחירת יד של עוברים כל שלוש דקות".

בעתיד, גישה כזו לא רק תחסוך זמן, אלא תוכל לשמש התייחסות להתפתחות תקינה של עוברים כדי לראות כיצד דברים עשויים להשתנות בעוברים מוטנטים שונים. זה יכול להצביע בדיוק מתי, ובאיזה סוג תא, נוצר הפנוטיפ של מוטנט, כפי שהראו החוקרים בשריר. במילים אחרות, עבודה זו לא רק עוזרת להבין כיצד מתרחשת התפתחות בדרך כלל, אלא גם פותחת את הדלת להבנה כיצד מוטציות שונות יכולות לבלבל אותה.

פוטנציאל הניבוי החדש שהמחקר הזה מבשר, בהתבסס על דגימות מחלונות זמן גדולים בהרבה, יכול לשמש כמסגרת למערכות מודל אחרות. לדוגמה, התפתחות עוברי יונקים, בַּמַבחֵנָה התמיינות תאים, או אפילו לאחר טיפול תרופתי בתאים חולים, כאשר פערים בזמני הדגימה יכולים להיות מתוכננים כדי להקל על חיזוי זמן אופטימלי ברזולוציית מאתר.

בהמשך, הצוות מתכנן לחקור את כוחות הניבוי של האטלס.

"בשילוב כל הכלים החדשים העומדים לרשותנו בתחום הגנומיקה של תא בודד, חישוב והנדסה גנטית, אשמח לראות אם נוכל לחזות מה קורה לגורל התא הבודד in vivo בעקבות מוטציה גנטית," אמר פורלונג. "…אבל אנחנו עדיין לא שם. עם זאת, לפני הפרויקט הזה גם חשבתי שהעבודה הנוכחית לא תתאפשר בזמן הקרוב".



קישור לכתבת המקור – 2022-08-04 21:55:48

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר