Los Investigadores Crean Un Mapa Molecular De Cada Célula De Un Embrión Animal En Desarrollo

Atlas molecular de C. Elegans

Cada célula de un embrión de gusano nematodo en desarrollo se cataloga a nivel molecular en un nuevo artículo publicado en Science. En esta visualización del conjunto de datos, cada punto representa una sola celda, su color representa la edad del embrión del que proviene (naranja = temprano, verde = medio, azul / rojo = tardío), y los puntos están organizados de manera que las celdas con transcriptomas similares están cerca unos de otros. Visualizados de esta manera, los datos forman varias “trayectorias” delgadas que corresponden a tejidos y tipos de células individuales. Crédito: Cole Trapnell

Investigadores de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania y la Facultad de Medicina Perelman proporcionan un ‘atlas’ molecular del desarrollo animal: un mapa molecular de cada célula de un embrión animal en desarrollo.

En un artículo publicado en Science esta semana, los investigadores de Penn informan sobre la primera caracterización molecular detallada de cómo cambia cada célula durante el desarrollo embrionario de los animales. El trabajo, dirigido por los laboratorios de John I.Murray de la Escuela de Medicina Perelman, Junhyong Kim de la Escuela de Artes y Ciencias y Robert Waterston de la Universidad de Washington (UW), utilizó la última tecnología en el campo emergente de células individuales biología para perfilar más de 80.000 células en el embrión del nematodo Caenorhabditis elegans .

“En los últimos años, los nuevos métodos de genómica unicelular han revolucionado el estudio del desarrollo animal”, dice Murray. “Nuestro estudio aprovecha el hecho de que el embrión de C. elegans tiene una cantidad muy pequeña de células producidas por un patrón conocido y completamente reproducible de divisiones celulares. Usando métodos de genómica unicelular, pudimos identificar más del 87 por ciento de las células embrionarias desde la gastrulación (cuando hay alrededor de 50 células presentes) hasta el final de la embriogénesis “.

C. elegans es un animal que nace con solo 558 células en su cuerpo. En un organismo multicelular, cada célula se deriva por división celular de un solo óvulo fertilizado, lo que resulta en un “árbol de linaje celular” que muestra la historia de división de cada célula y describe sus relaciones entre sí, similar a una genealogía. El trabajo ganador del Premio Nobel de Sydney Brenner, H. Robert Horvitz y John Sulston elaboró ​​el árbol del linaje celular de C. elegans hace más de 40 años y mostró que todos los animales de C. elegans se desarrollan a través de patrones idénticos de división celular.

Para dilucidar aún más el proceso de desarrollo, los equipos de Penn y UW caracterizaron lo que sucede a nivel molecular midiendo el transcriptoma (todos los ARN en una célula) de células individuales durante el desarrollo utilizando un enfoque genómico de una sola célula. Estos métodos permiten a los científicos determinar qué genes se expresan o activan en cada una de las decenas o cientos de miles de células e identificar tipos de células raras en función de su expresión de subconjuntos similares de genes. Sin embargo, es difícil saber en estos estudios si se han identificado todos los tipos de células, o cómo las células identificadas se relacionan entre sí a través de la división celular.

Los autores principales, los estudiantes graduados Jonathan Packer de UW y Qin Zhu de Penn, desarrollaron sofisticados programas de análisis de datos y algoritmos para rastrear los cambios en el transcriptoma hasta las secuencias temporales en el árbol de linaje celular, revelando la dinámica detallada de los cambios moleculares necesarios para generar la cuerpo completo de C. elegans .

El conjunto de datos resultante será una herramienta poderosa para los miles de laboratorios que estudian C. elegans como organismo modelo y refuerza las limitaciones de usar la genómica unicelular solo para inferir relaciones entre células en otras especies.

“Penn ha sido uno de los pioneros de la genómica unicelular, lo que realmente ayudó a hacer posible este trabajo”, dice Kim.

La investigación ayuda a revelar los mecanismos fundamentales involucrados en cómo las células especializan su función durante el desarrollo. Por ejemplo, los investigadores demostraron que las células con historias de linaje muy diferentes pueden converger rápidamente al mismo estado molecular, de modo que ya no se pueden distinguir. Los investigadores también encontraron que, durante la diferenciación, algunas células experimentan cambios sorprendentemente rápidos en sus transcriptomas. 

Además, este trabajo contribuirá a aplicaciones en medicina regenerativa e ingeniería celular, como el control del proceso de diferenciación celular involucrado en el uso de las propias células del paciente para terapia. 

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John Murray es profesor asociado de genética en la Escuela de Medicina Perelman de la Universidad de Pennsylvania.

Junhyong Kim es profesora titular de biología en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania, Patricia M. Williams.

Además de Murray, Kim, Waterston, Packer y Zhu, el artículo fue coautor de Priya Sivaramakrishnan de Penn, Elicia Preston, Hannah Dueck, Derek Stefanik y Kai Tan y Chau Huynh y Cole Trapnell de UW.

El estudio fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (subvenciones HG007355, GM072675, GM127093 y HD085201), Commonwealth of Pennsylvania y Penn Program in Single Cell Biology (codirigido por Kim y James Eberwine, profesor de farmacología de sistemas y terapéutica traslacional en la Escuela de Medicina Perelman de la Universidad de Pennsylvania). 

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